研究者データベース

水野 雄太(ミズノ ユウタ)
電子科学研究所 附属社会創造数学研究センター
助教

基本情報

所属

  • 電子科学研究所 附属社会創造数学研究センター

職名

  • 助教

学位

  • 博士(学術)(2018年04月 東京大学)

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科研費研究者番号

  • 10846348

ORCID ID

J-Global ID

プロフィール

  • 私の専門分野は,化学反応ダイナミクスと反応速度論,および化学反応ネットワーク理論です.私は,化学反応ネットワークの作成法と解析法に関するいくつかの研究プロジェクトを現在進めています.プロジェクトの詳細は以下の通りです.
    (a) 相空間幾何学と半古典力学に基づく化学反応ネットワークの観点から,複雑な非断熱化学反応ダイナミクスを理解するための理論的枠組みの開発
    (b) 相空間幾何学と第一原理分子動力学法に基づく,動力学効果を考慮した化学反応ネットワークの自動作成法の開発
    (c) イジングマシンを用いた,大規模化学反応ネットワークの解析と設計のための高速計算法の開発

研究キーワード

  • 量子アニーリング   量子コンピューティング   相空間幾何学   非断熱ダイナミクス   化学反応ネットワーク   量子ダイナミクス   化学反応ダイナミクス   理論化学   

研究分野

  • 情報通信 / 数理情報学
  • 自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理 / 化学反応ネットワーク
  • ナノテク・材料 / 基礎物理化学 / 理論化学

職歴

  • 2021年11月 - 現在 東京大学 大学院理学系研究科 客員共同研究員
  • 2019年08月 - 現在 北海道大学 大学院総合化学院 助教(兼任)
  • 2019年08月 - 現在 北海道大学 化学反応創成研究拠点 助教(兼務)
  • 2019年08月 - 現在 北海道大学 電子科学研究所 附属社会創造数学研究センター 助教
  • 2020年11月 - 2022年03月 科学技術振興機構 さきがけ研究者(兼任)
  • 2019年04月 - 2019年07月 北海道大学 化学反応創成研究拠点 博士研究員
  • 2018年05月 - 2019年03月 日本学術振興会 特別研究員PD
  • 2017年04月 - 2018年04月 日本学術振興会 特別研究員DC2

学歴

  • 2015年04月 - 2018年04月   東京大学   大学院総合文化研究科   広域科学専攻相関基礎科学系 博士課程
  • 2013年04月 - 2015年03月   東京大学   大学院総合文化研究科   広域科学専攻相関基礎科学系 修士課程
  • 2011年04月 - 2013年03月   東京大学   教養学部 後期課程   基礎科学科 数理科学分科
  • 2009年04月 - 2011年03月   東京大学   教養学部 前期課程   理科一類

所属学協会

  • 日本化学会   理論化学会   分子科学会   日本物理学会   

研究活動情報

論文

  • Hiroshi Uchigaito, Mamoru Okamoto, Gleb Astashkin, Yuki Furubayashi, Norihiro Obata, Thantip Krasienapibal, Hiroshi Teramoto, Yuta Mizuno, Masato Kobayashi, Atsuyoshi Nakamura, Tamiki Komatsuzaki, Takashi Takemoto
    2021 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC) 1 - 8 IEEE 2021年 [査読有り][通常論文]
     
    For achieving a low-carbon society and providing stable energy supply to local areas, we propose a distributed energy system in which multiple small grids are installed in a distributed manner in an area. Multiple electric vehicles located in the area are used as mobile batteries for power leveling between grids and used as regional transportation. To construct this system, it is necessary to provide practical solutions in accordance with the needs in various areas by adjusting the balance between optimization of power management and transportation, which are in a trade-off relationship, while dealing with uncertainties such as climate change and time-varying transportation demand in a short time. In this paper, we propose a multi-objective spatiotemporal optimization algorithm for solving the above problem. We compared the performance of the proposed algorithm with a vehicle-routing-problem solver of Google OR-Tools, demonstrating that the transportation rate increased by 13% and sum of power excess and shortage in grids decreased by 87%. The proposed algorithm can also adjust the balance between optimizations of transportation and electricity-management, suggesting that it can be applied in various areas.
  • Yuta Mizuno, Mikoto Takigawa, Saki Miyashita, Yutaka Nagahata, Hiroshi Teramoto, Tamiki Komatsuzaki
    Physica D: Nonlinear Phenomena 428 133047-1 - 133047-17 Elsevier 2021年 [査読有り][招待有り]
     
    An efficient sampling algorithm is proposed for computing reactive islands, which consist of intersections of reactive trajectories and a Poincaré surface of section (PSOS), and are characterized by the number of times the reactive trajectories intersect the PSOS before/after reactions take place. The boundaries of reactive islands are series of intersections of cylindrical stable and unstable invariant manifolds emanated from a normally hyperbolic invariant manifold located, typically, nearby a rank-one potential energy saddle, which forms “reactivity boundaries”. The reactive islands structures enable us to predict the fate of trajectories. The proposed algorithm estimates regions of reactive islands on the PSOS as a Voronoi diagram constructed from the set of labeled intersections of computed molecular dynamics trajectories. The algorithm iteratively refines the boundaries of the estimated reactive islands efficiently, by computing trajectories of which initial condition is sampled from the estimated boundaries of reactive islands in the Voronoi diagram of the previous iteration step. The efficiency of the proposed algorithm is scrutinized, compared with random sampling algorithm and using a two-degrees of freedom Hamiltonian system of a double well potential, and further possible extensions of the proposed algorithm is addressed.
  • Yuta Mizuno, Koji Hukushima
    The Journal of Chemical Physics 149 17 174313-1 - 174313-6 AIP Publishing 2018年11月07日 [査読有り][通常論文]
     
    The nonadiabatic photodissociation dynamics of alkali halide molecules excited by a femtosecond laser pulse in the gas phase are investigated theoretically, and it is shown that the population of the photoexcited molecules exhibits power-law decay with exponent −1/2, in contrast to exponential decay, which is often assumed in femtosecond spectroscopy and unimolecular reaction theory. To elucidate the mechanism of the power-law decay, a diagrammatic method that visualizes the structure of the nonadiabatic reaction dynamics as a pattern of occurrence of dynamical events, such as wavepacket bifurcation, turning, and dissociation, is developed. Using this diagrammatic method, an analytical formula for the power-law decay is derived, and the theoretical decay curve is compared with the corresponding numerical decay curve computed by a wavepacket dynamics simulation in the case of lithium fluoride. This study reveals that the cause of the power-law decay is the quantum interference arising from the wavepacket bifurcation and merging due to nonadiabatic transitions.
  • Yuta Mizuno, Yasuki Arasaki, Kazuo Takatsuka
    The Journal of Chemical Physics 145 18 184305-1 - 184305-11 AIP Publishing 2016年11月 [査読有り][通常論文]
     
    We propose a theoretical principle to directly monitor the bifurcation of quantum wavepackets passing through nonadiabatic regions of a molecule that is placed in intense continuous wave (CW) laser fields. This idea makes use of the phenomenon of laser-driven photon emission from molecules that can undergo nonadiabatic transitions between ionic and covalent potential energy surfaces like Li+ F- and LiF. The resultant photon emission spectra are of anomalous yet characteristic frequency and intensity, if pumped to an energy level in which the nonadiabatic region is accessible and placed in a CW laser field. The proposed method is designed to take the time-frequency spectrogram with an appropriate time-window from this photon emission to detect the time evolution of the frequency and intensity, which depends on the dynamics and location of the relevant nuclear wavepackets. This method is specifically designed for the study of dynamics in intense CW laser fields and is rather limited in scope than other techniques for femtosecond chemical dynamics in vacuum. The following characteristic features of dynamics can be mapped onto the spectrogram: (1) the period of driven vibrational motion (temporally confined vibrational states in otherwise dissociative channels, the period and other states of which dramatically vary depending on the CW driving lasers applied), (2) the existence of multiple nuclear wavepackets running individually on the field-dressed potential energy surfaces, (3) the time scale of coherent interaction between the nuclear wavepackets running on ionic and covalent electronic states after their branching (the so-called coherence time in the terminology of the theory of nonadiabatic interaction), and so on.
  • Yasuki Arasaki, Yuta Mizuno, Simona Scheit, Kazuo Takatsuka
    The Journal of Chemical Physics 144 4 044107-1 - 044107-10 AIP Publishing 2016年01月 [査読有り][通常論文]
     
    When a nonadiabatic system that has an ionic state (large dipole moment) and a covalent state (small dipole moment) is located in a strong laser field, the crossing point of the two potential energy curves is forced to oscillate due to the oscillating laser field and to meet wavepackets moving on the potential curves many times. This leads to additional transitions between the two states, and under favorable conditions, the wavepacket may be confined in a spatial region rich in nonadiabatic interaction. In this paper, taking the LiF molecule system in a continuous-wave driving field as a prototypical example, the dynamical origins of the wavepacket confinement are theoretically investigated.
  • Yuta Mizuno, Yasuki Arasaki, Kazuo Takatsuka
    The Journal of Chemical Physics 144 2 024106-1 - 024106-13 AIP Publishing 2016年01月 [査読有り][通常論文]
     
    A complicated yet interesting induced photon emission can take place by a nonadiabatic intramolecular electron transfer system like LiF under an intense CW laser [Y. Arasaki, S. Scheit, and K. Takatsuka, J. Chem. Phys. 138, 161103 (2013)]. Behind this phenomena, the crossing point between two potential energy curves of covalent and ionic natures in diabatic representation is forced to oscillate, since only the ionic potential curve is shifted significantly up and down repeatedly (called the Dynamical Stark effect). The wavepacket pumped initially to the excited covalent potential curve frequently encounters such a dynamically moving crossing point and thereby undergoes very complicated dynamics including wavepacket bifurcation and deformation. Intramolecular electron transfer thus driven by the coupling between nonadiabatic state-mixing and laser fields induces irregular photon emission. Here in this report we discuss the complicated spectral features of this kind of photon emission induced by infrared laser. In the low frequency domain, the photon emission is much more involved than those of ultraviolet/visible driving fields, since many field-dressed states are created on the ionic potential, which have their own classical turning points and crossing points with the covalent counterpart. To analyze the physics behind the phenomena, we develop a perturbation theoretic approach to the Riccati equation that is transformed from coupled first-order linear differential equations with periodic coefficients, which are supposed to produce the so-called Floquet states. We give mathematical expressions for the Floquet energies, frequencies, and intensities of the photon emission spectra, and the cutoff energy of their harmonic generation. Agreement between these approximate quantities and those estimated with full quantum calculations is found to be excellent. Furthermore, the present analysis provides with notions to facilitate deeper understanding for the physical and mathematical mechanisms of the present photon emission.
  • Yasuki Arasaki, Yuta Mizuno, Simona Scheit, Kazuo Takatsuka
    The Journal of Chemical Physics 141 23 234301-1 - 234301-14 AIP Publishing 2014年12月 [査読有り][通常論文]
     
    When vibrational dynamics on an ionic state (large dipole moment) is coupled to that on a neutral state (small dipole moment) such as at an avoided crossing in the alkali halide system, the population transfer between the states cause oscillation of the molecular dipole, leading to dipole emission. Such dynamics may be driven by an external field. We study how the coupled wavepacket dynamics is affected by the parameters (intensity, frequency) of the driving field with the aim of making use of the photoemission as an alternative detection scheme of femtosecond and subfemtosecond vibrational and electronic dynamics or as a characteristic optical source.

講演・口頭発表等

その他活動・業績

受賞

  • 2017年11月 分子科学会 優秀ポスター賞
     高強度レーザー場中の非断熱ダイナミクスのネットワーク構造 
    受賞者: 水野 雄太
  • 2015年06月 理論化学研究会 優秀講演賞
     レーザー場によって駆動された非断熱ダイナミクスからの誘導輻射スペクトログラムによる核波束ダイナミクスの観測 
    受賞者: 水野 雄太

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 自動合成ロボットと情報科学の融合に基づいた有機反応開発法の迅速化
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    研究期間 : 2021年04月 -2024年03月 
    代表者 : 長田 裕也, 水野 雄太, 田畑 公次, 辻 信弥, 小林 正人
  • 科学技術振興機構:戦略的創造研究推進事業 さきがけ
    研究期間 : 2020年11月 -2024年03月 
    代表者 : 水野雄太
     
    原子・分子は粒子として振る舞う離散的存在であり、化学反応は原子間の結合が組み換わる離散的事象とみなせます。この離散性と組合せ爆発のために、化学量論的反応経路解析や確率論的速度論解析など、従来計算技術では膨大な計算量を要する問題が化学反応論には存在します。本研究では、これらの問題を量子計算によって効率的に解くための枠組みを開発し、化学反応論と量子情報処理技術の相乗的発展に貢献します。
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 若手研究
    研究期間 : 2020年04月 -2024年03月 
    代表者 : 水野 雄太
     
    化学反応経路図は,反応機構の解明や反応速度・選択性の予測に不可欠な学術的基盤である.しかし,従来の反応経路図の作成法には,化学反応における分子の運動の効果を考慮していないという問題点がある.そこで本研究では,分子の運動を幾何学的観点から捉える数学的理論である相空間幾何学に基づき,分子の運動の効果も考慮した反応経路図自動作成プログラムを開発する.これにより,実在の化学反応の動力学的反応機構の系統的解明と反応速度・選択性の系統的予測のための学術的基盤の構築を目指す.
  • 株式会社 日立製作所:
    研究期間 : 2019年08月 -2023年03月
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
    研究期間 : 2017年04月 -2019年03月 
    代表者 : 水野 雄太

教育活動情報

主要な担当授業

  • 一般教育演習(フレッシュマンセミナー)
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 学士課程
    開講学部 : 全学教育
    キーワード : 日常生活、キッチン、コーヒー、原生生物、色

大学運営

委員歴

  • 2020年10月 - 2021年09月   分子科学会   第15回分子科学討論会実行委員

学術貢献活動

  • Quantinuum-ICReDD joint workshop for chemical applications of quantum computing
    期間 : 2022年06月06日
    役割 : 企画立案・運営等
    種別 : 学会・研究会等
    北海道大学北キャンパス創成科学研究棟2F ICReDDサロン 世話人として,Quantinuum-ICReDD joint workshop for chemical applications of quantum computingの企画・運営を行った.
  • 期間 : 2022年03月07日
    役割 : 企画立案・運営等
    種別 : 大会・シンポジウム等
    主催者・責任者 : 北海道大学電子科学研究所データ数理研究分野
    オンライン (Zoom) 実行委員(プログラム担当)として,プログラム編成や講演打診等を行った.
  • 期間 : 2021年09月18日 - 2021年09月21日
    役割 : 企画立案・運営等
    種別 : 学会・研究会等
    主催者・責任者 : 分子科学会
    オンライン (Zoom) 実行委員(渉外担当)として,主に企業協賛に関連した企画・運営を行った.
  • 期間 : 2021年02月22日 - 2021年02月24日
    役割 : 企画立案・運営等
    種別 : 大会・シンポジウム等
    主催者・責任者 : 北海道大学化学反応創成研究拠点
    オンライン (Zoom) 実行委員として,第3回ICReDD国際シンポジウムの企画・運営を行った.
  • 期間 : 2020年09月09日
    役割 : 企画立案・運営等
    種別 : 学会・研究会等
    主催者・責任者 : 北海道大学理論化学関連研究室
    オンライン (Zoom) 世話人として,北大理論化学合同workshop 2020の企画・運営を行った.
  • 期間 : 2019年10月08日
    役割 : 企画立案・運営等
    種別 : 学会・研究会等
    主催者・責任者 : 北海道大学化学反応創成研究拠点小松崎グループ
    北海道大学北キャンパス創成科学研究棟2F ICReDDサロン 世話人として,International & Interdisciplinary Workshop on Chemical Reaction Dynamics—Mathematics, Informatics, and Physics Meet Chemistryの企画・運営を行った.
  • 期間 : 2016年08月26日 - 2016年08月28日
    役割 : 企画立案・運営等
    主催者・責任者 : 生化学若い研究者の会
    宮城県白石市 シンポジウム係長として,第56回生命科学夏の学校シンポジウム『これからの「多様性」の話をしようー多様性社会を生き延びるための○ ○ 』の企画・運営を指揮した.
  • 期間 : 2016年08月22日 - 2016年08月26日
    役割 : 企画立案・運営等
    主催者・責任者 : 分子科学若手の会
    京都大学 北部キャンパス 理学部6号館 事務局代表として,第56回分子科学若手の会夏の学校の企画・運営を指揮した.
  • 期間 : 2015年08月17日 - 2015年08月21日
    役割 : 企画立案・運営等
    主催者・責任者 : 分子科学若手の会
    東京大学 本郷キャンパス 理学部化学本館 分科会担当として,古川 亜矢子 先生を招聘し,第55回分子科学若手の会夏の学校第五分科会「溶液NMRからわかる酵素の動的な構造情報」の世話人を務めた.


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