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たまに書きます。

気になって調べたことを書いていきます。まずはAboutページをご覧ください。

大学生のための、理化学研究所で研究するガイド

はじめに

私は今、博士課程の大学院生をしており、理化学研究所という研究機関で研究をしています。

高校生の頃から理研には憧れていて、いつかは理研で働きたいと考えていました。 一時期は不祥事などもありましたが、やはり素晴らしい研究環境であることに変わりはありません。 ここに来るには、博士号をとってその後ですごく優秀な実績を出して認められる、くらいしか方法は無いと考えていました。 しかしながら、実際にはそうではありません。

この記事では、理研にあこがれる高校生や大学生が理研で活動するには、どのような入り口があるのか、ということを紹介したいと思います。

そのためには、手続き(身分の取得)と研究室探しの二つをクリアする必要があります。 本記事ではその両方を紹介したいと思います。

1、手続き方法

学生で主な方法としてとれるのは、主に3種類のパスがあります。 このうち、私は②、③の方法を利用しました。

①アルバイト

これは学部生から可能です。 まずは理研の採用情報を見てみて、そこにパートタイマー募集が無いかを探してみます。 研究室所属になる前ならば、これしかルートは無いと思います。

主には、プログラマーか実験補助が多いと思います。 個人的なおすすめはプログラマーです。 実験補助よりも汎用性の高いスキルであるためです。 私自身、もともとコンピュータが好きだったこともあり、始めは民間のベンチャー企業でアルバイトをしていました。 あるとき、理研主催の学生向けイベントで知り合ったあるPIの先生に誘われて、その研究室で開発しているソフトウェアのプログラミングを手伝っていました。

②、研究指導委託もしくは連携大学院制度

研究室配属後、もしくは大学院生(修士・博士)になったらこのルートを使って理研で研究をすることが可能になります。 この方法を使うためには、大学(院)と理研の間で協定が締結されていることが条件になります。

http://www.riken.jp/outreach/partnerships/ ここに協定の締結を行った大学院のリストがあります。とりあえずは、ここに書いてあるところに入学をするのが良いでしょう。 ちなみに、私の出身大学(東京工業大学)は、修士課程は2年のうちの1年しか委託してもらうことは出来ないという学内ルールが存在します。

大学院の専攻に、理研の連携教授などの職名の先生がいると、大抵理研で研究をすることになります。 この場合は、指導委託扱いにならないので、修士の2年間ずっと理研で研究が可能でした(東工大の場合)

③、大学院生リサーチアソシエイト

博士課程の大学院生になると、この方法をとることができます。理化学研究所の非常勤職員として、お給料をもらいながら研究をさせてもらえる制度です。 この方法は博士課程の学生しか利用できませんが、これを目論んで、修士課程までは②の研究指導委託制度を利用して研究活動をするのは悪くないと思います。 待遇は、月164000円です。ここから生活費や国民年金、学費等の支払いが必要となってきます。

http://www.riken.jp/careers/programs/#studentlevel

私は博士課程から理研に移りましたが、D1, D2の二年間は落ちたり補欠だったりで、結局採用して頂けたのはD3になるタイミングでした。

2、研究室探し

こちらはむしろ楽しみながら行った方が良いです。 最終的には、自分からコンタクトをとっていきましょう。

まず、非常にざっくりですが、各事業所の分担をここに記します。 和光は、物理、化学系、それと脳科学系の研究室がメインですが、生物系(脳科学を除く)のラボもいくつか存在します。 有楽町線副都心線の終点である和光市駅からは徒歩で15分ほどです。

横浜は、医科学系がメインです。免疫などの研究が盛んで、実験用のマウスなどもたくさんいると聞いたことがあります。鶴見駅からバスで行きます。 筑波はバイオリソースセンターという、遺伝子組み換えなどを行った実験動物(遺伝子ごとに組み換え動物を作るのは結構難しいらしく、それをここでストックしておくようです)のセンターがあります。(私は行ったことない) 大阪・神戸は主に生物学の研究を行っています。

あとは神戸に計算科学研究機構(スパコンの京があるところ)や兵庫県の播磨にSpring-8があります。

①一般公開

理研の主な事業所(和光、横浜、つくば、大阪、神戸など)はいずれも一般公開をしています。和光とつくばは大体4月末のことが多いです。 普段理研の中にいても、自分のいる研究室以外のところに行く機会は(学生ですし)あまり無いので、この機会にいろいろと見せてもらえるのは楽しいです。

理研の広報誌

理研からは、毎月広報誌が出ていて、そこで数研究室が取材されています。これを広く見てみて、興味のありそうな研究室を探すのもありです。 私も現在の先生を初めて知ったのはこの広報誌です。それを基にコンタクトをとっていきました。

③その他の講演会など

一例として、理研は毎年、年末ごろに科学講演会というのを行っています。 http://www.riken.jp/pr/blog/2016/161122_1/ こういうのに参加してみるのもありだと思いますが、毎回3名程度の先生しか講演されないので、それほど効率のよい探し方とは言えないかと思います。

④学生向けのセミナーなど たとえば、神戸の理研などは、

QBiC スプリングコース2017

のようなセミナーを毎年開催しています。こういうのを行っているセンターもありますので、機会があれば積極的に参加するのもありだと思います。 私も学部4年生のころに参加したこのスプリングコースで知り合った先生から、プログラマとして雇っていただきました。

ここまで理研に限って述べてきましたが、他にも国内の様々な国立の研究所にはいろいろと活動に参加する方法があります。 興味のある方はぜひ調べてみてください。

VASPで計算したバンド構造の可視化のためのスクリプト

固体のバンド構造計算をこれまでは主にQuantum Espressoというフリーのコードを使って行っていたのですが、最近になってvaspを時々利用するようになりました。

vaspでバンド構造を計算すると、EIGENVALというファイルが作成されて、そこに各k点での固有値が記録されます。 このファイルを何らかのツールを使って可視化する必要があるわけですが、検索してみると主に出てくるのはp4vaspというプログラムを利用する、というもののようです。

しかし、p4vaspはなんだかバンド図の見た目がイケてない上に、磁性を考慮した場合にどうもupとdownのスピンのバンドを別々にカラーリングする方法がわからず、バンド図の可視化には使いづらいように思えました。 そこで、gnuplotによる可視化向けにEIGENVALSファイルを読み込んで整形するスクリプトRubyで作成しました。

github.com

本当はここに結果を載せたいのですが、一応vaspはライセンスの縛りがあるので、ここに結果のグラフを載せるのは避けておきます。

使い方は、EIGENVALSのあるディレクトリで、

ruby read_eigenvals.rb -n (各kpathの点の数)

とするだけです。オプションを適当に渡せば、スピンを考慮した計算結果のファイルや、gnuplot用のスクリプトも一緒に作成します。

理論化学の本を紹介していく(電子軌道の概念)

量子化学の一番初めは、とりあえず波動関数とは何ぞや?を抑えることだとすると、その後で来るのは、今度は軌道の概念を知ることだと思っています。 私は軌道のことは、友田修司先生の本で勉強をしました。

基礎量子化学―軌道概念で化学を考える

基礎量子化学―軌道概念で化学を考える

この本で使っている計算法は拡張ヒュッケル法などの現代の量子化学コミュニティではあまり使われなくなってしまった古い計算方法です。

しかし、軌道の概念をきちんと理解するためには、むしろこのような手法の方が変に原子軌道の混成を考えなくてよくなるため、定性的な理解には良いと思います。

この本はそれほど大きくない分子を用いて、

  • フロンティア軌道

  • 配位子場分裂・結晶場分裂(金属に配位したイオンなどにおいてみられる3d軌道の分裂)

などを議論しており、これらの概念を掴むには良いと思っています(ただし、すごく深いわけでもないと思います)。

また、溶解エネルギーなどの熱力学的な量に関する解説もある程度されており、数表としても私は使っています(ただし、そんなに量は無いので、本当に必要な時は化学便覧を見るのが良いです)。

私は指導教員によく言われるのは、「計算機で計算する数値データは、コンピュータとか計算手法が発展するので10年たったら役にたたないが、軌道を見た時の定性的な傾向(たとえば、フロンティア軌道は分子のどのあたりに局在しているか、など)は別の量子力学的効果を入れたりしない限り変わることは無いので、それをきちんと把握すること」ということです。

この本はその感覚をつかむために最適なのではないかと思っています。

ちなみに、軌道の概念をさらによく知るためには、洋書ですが、

Orbital Interactions in Chemistry

Orbital Interactions in Chemistry

かと思います。

化学屋から見たバンド理論 その2

今の時代、バンド計算も多くの場合、VASPやQuantum Espressoといった密度汎関数法による計算をすることになるかと思います。 バンド計算においては、必要なパラメータとして、

  • 汎関数(大体はPBE汎関数が多い模様。必要に応じて、PBE0やHSE06のようなハイブリッド汎関数を使うが計算が重くなる)

  • 擬ポテンシャル(PAWかUltrasoftを使えば大抵の場合いける、他にはノルム保存型などの選択肢がある)

  • カットオフエネルギー

  • k点メッシュ

  • スメアリング(ブロードニング)

を必ず指定する必要があります。

とりあえずこれらの意味が分からない時は、以下の本が良いと思います。

密度汎関数理論入門: 理論とその応用

密度汎関数理論入門: 理論とその応用

この本は、DFTの理論的な詳細には立ち入らず、あくまで使う側に必要な情報の提供に絞られています。 また、VASPやQuantum ESPRESSO, Ab Initなどのサンプルinputファイルが書かれているわけでもないので、 まずはネット上のチュートリアルなどからinputを探してきて、それの意味を一つ一つ理解していくのに使うべきと思います。

ちなみに、この本には、バンド構造(E-k分散図)は触れられていません。バンド構造の理解に関しては、前の記事で紹介した、ホフマンやCoxの本で理解のコツを覚えていくしかないと思っています。 また、バンド構造を計算するには、まずはブリルアンゾーンを指定する必要がありますが、私は

AFLOW.ORG: a distributed materials properties repository from high-throughput ab initio calculation

を使ってそれを指定しています(Kpath in the reciprocal spaceというのを指定して、出てきた結果をvaspの場合はKPOINTSファイルに指定)。

化学屋から見たバンド理論

化学系の学部・学科で理論計算を行う人は、gaussianやGAMESSといった量子化学計算プログラムを使って解析を行うケースが殆どだと思います。

しかし、シュレーディンガー方程式の解釈の仕方はそれだけではなくて、バンド理論というのも一つの見方です。

vaspやQuantum Espressoといったプログラムを用いて計算したバンド構造図は、初めての人には非常にわかりづらく、また、何度か見せられた場合でもよく言われる特徴(バンドギャップの有無、それが直接遷移か間接遷移か)くらいしかわからない人もいるかと思います。

化学分野の人がこれを理解しなければならない、というときは、以下の本が良かったので、ここに載せておきます。

固体と表面の理論化学

固体と表面の理論化学

固体の電子構造と化学

固体の電子構造と化学

一つ目は、福井謙一先生と一緒にノーベル賞を受賞されたホフマンの本で、バンドを直感的に理解するには非常にわかりやすい本であると言えます。バンドは実際には一つ一つが分子軌道と同じように考えることができます。

ただ、この本は絶版なので、図書館で探すしかないと思います。

二冊目は一冊目の本をもう少し現代的に書いた本で、4章でバンド理論のホフマンの本の要点は一通りまとめられてはいます(が、ホフマンの方が個人的にはわかりやすかった)。 実際にバンド理論を考えるには、3d軌道のように、電子が局在する最外殻軌道を考える必要があります。その時に出てくるのがHubbard-Uパラメータですが、このあたりについても説明がなされているので、必要に応じて読むのが良いと思います。

理論化学の本を紹介していく(その1、超入門)

しばらく忙しくて全然書くことができなかった。 けれど何とか生きています。順調に理論化学の博士課程学生をやっています。

さて、相変わらず本は結構読んでいるのですが、最近若干の消化不良になっています。 せっかくなので、読んだ本のことを文章で記録することが重要かと思い、そのモチベーションとしてアマゾンアソシエイトIDに登録しました。 なるべく自分が「なるほど」と思ったものを紹介していきたいと思います。 もし興味を持つようであれば買ってください笑

とりあえず初めてなので、自分の専門分野に関する本を紹介したいと思います。

僕が専門にしているのは量子化学という物理化学という物理化学の一分野です。 どうもこの分野は、大学に入りたての人には非常にわかりづらい分野なのだけど、その勉強に有用な本を紹介したいと思います。

大学で始めて学ぶ化学の授業は、量子化学の分野であることが多いと思います。 自分の時はいきなりシュレーディンガー方程式なるものが出てきて、よくわかりませんでした。

そういう場合は、とりあえず量子化学ノートを読みましょう。

単位が取れる量子化学ノート (KS単位が取れるシリーズ)

単位が取れる量子化学ノート (KS単位が取れるシリーズ)

この本は、シュレーディンガー方程式を天下り的に紹介した後で、例題をいくつか解いて、最終的にはリッツの変分法まで行きます。これを土台にしながら、軌道理論というのを抑えていけばよいと思う。

量子化学をはじめて習う人が押さえるべきポイント

シュレーディンガー方程式そのものは、古典力学ニュートン方程式しかなかった時代に、それは頭の良い人たちが苦労して導出した式です。 しかし、そのプロセスは、超入門期に抑えるポイントではないと思います。 まず抑えるべきは、

  1. シュレーディンガー方程式の形(時間を含む方程式と、時間を含まない(定常状態という)方程式)の形を押さえる

  2. 波動関数の意味を知る

 実際には、これは非常に難しい問題です。ただ、数値的には、それを二乗した場合に電子の存在確率になると教えられます。 波動関数を解くこと≒電子がどの辺にどのくらい集まるかを知ることができる、程度に抑えればよいです。

 さらに、電子の存在確率、というのは、トータルの電子数をかけてやれば、ある座標に電子が何個いるのか、ということになります。専門の人たちの間ではこれを電子密度(charge density)と呼びます。

  1. 井戸型ポテンシャルの波動関数を解く。

 これは必ず出てくる例題です。まずは、無限に深い1次元井戸型ポテンシャルの問題を解きます。これは覚えるくらい何度もやるべき。これがそのままテストになるという大学もあります。  これができたら、3次元の井戸型ポテンシャル問題を解きましょう。といっても、xyz座標は独立なので、変数分離の仕方を覚えるだけです。

とりあえずこの3点を抑えれば、あとはなんとかなります。最低限のことは自分で勉強できるだけの基礎知識はつく、ということです。

この後で調和振動子や水素原子の波動関数を解く、という問題が出てきます。これは実際には自分で解くことは(仮に専門にしたとしても)ないので、一度写経するつもりでやればよいです。

この本は水素原子が終わったら、変分法というものが出てきます。これは、波動関数という原理的に解けない式にたいして、近似を導入する際のとても重要な手法なので抑えるのが良いかと思います。

自分でも一度棚卸の意味も含めてこのように書いてみると色々思い出して良い。

水道の蛇口を締めても水が止まらなくなったときのトラブルシューティング

ふだんは遅くとも9時くらいには研究室から家に帰ってくるのだけど、今日(昨日)はいろいろまとめてやっておきたかったことがあったのを処理しているうちに23時半を回ってしまった。
家に帰ってから、さっさと寝たいと思いながらシャワーを浴びていたのだけど、ここで「蛇口を締めても水道の水がジャージャー出続けて止まらない」案件が発生した。とりあえず、とてもビビる。

管理会社に緊急で電話をして応急処置の仕方を教えてもらった。
寝ようと思ってたのに全然眠くなくなってしまったので、トラブルシューティングとしてここに書き留めておきます。この際なので偶然これを見た人は、水道の元栓と、あとはガスとかその辺も確認しておいて頂ければよいかと。

水道は集合住宅の場合、パイプスペースなどに元栓があるらしい。
うちは、パイプスペースは玄関のすぐ横にあったけれど、これも住宅によっては違う場合があるそうなので、場所は確認しておくのが良いと思う。
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とりあえず、これ(下側のフタ)をあける。
この下の方に横たわっているパイプが水道関係のもの。
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ここについている蓋のついた緑のパーツ、これの蓋をあけると中にメーターが出てくる。
水が出ているときには、メーターの横のベアリングみたいな部分がグルグル回り続けている。
そして、この緑のやつの右に見えるつまみが元栓とのこと。このつまみを時計回りにひねれば水が止まる。うちのは時計回りに90度回したらそれ以上回らなくなって、完全に閉まり、さっきのベアリングみたいなやつの動きも止まった。
業者さん曰く、これは住宅によっては90度以上ひねらなきゃならないものもあるらしい。
ここまでが応急処置。

結局、業者さんがこのあと来てくれて(01:00AM過ぎだった)直してくれた。蛇口のところのパッキンが割れて、その穴から水がダーッと漏れていたとのこと。「たまたま締めようとしたときに噛み合わせが悪かったタイミングだったんでしょうねー」とのこと。正直こればかりはどうしようもないので、今後同じような事態に直面しないですむように祈るのみだなぁ。

ちなみに、賃貸住宅において普通に使っていて急にこのような事態が発生した場合は、設備異常ということで料金は取られない(少なくともうちはそうだった)ので、まずは躊躇せず管理会社に連絡するのが良いかと思う。
水道トラブルの業者に頼んでたらきっと結構取られてたんだろうなぁ。。。(「水道トラブル5000円♩、トイレのトラブル8000円♩〜」てやつに加えて深夜料金で25%上乗せ らしい)

参考URL:
1, 洗面台などの大手のLIXILのウェブサイトtostem.lixil.co.jp
2, うちのマンションの管理会社の緊急事態ページ
【設備メンテナンス】 ご入居者様 | 株式会社 リゾン
ひととおり書いてあって参考になる。

そろそろ眠くなって来た。