京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20710号 / 工博第4407号 / 新制||工||1685(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 古賀 毅, 教授 吉崎 武尚, 教授 竹中 幹人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

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Modern tournament formats for versus-type games are well adapted to games with no more than 2 actors in a single match but poorly performs in terms of accuracy (i.e., having the strongest participant win) or match count when used for a game that pits three players against each other in a single match. Using Monte Carlo simulations, this study tries to adapt widespread formats to this context, measure their performance, and raise the implication of organising a tournament with this format. Then, with the results from that first analysis, tries to design an adapted tournament format. Findings include numerical analysis of the tried tournaments’ performances in regard to ranking accuracy and time consumption (e.g., how many matches are required to be played in the tournament) as well as a first draft of a tournament format tailored for a competitive and tactical game pitting three participants in a single match.

After timber harvesting, carbon in wood is transferred to products pool and remains entrapped for a considerable time. It is necessary to estimate this carbon flux in the harvested wood products (HWP); otherwise, carbon emission estimates of a country will be overestimated at the time of harvest. Furthermore, carbon estimates of the HWP must be assessed for uncertainties which need to be reduced as far as possible. Environmental implications might be associated with the HWP traded in the national and international markets. In the current context, there is a lack of economic-environmental studies that relate to the trade of HWP. The first part of this dissertation estimated the U.S. HWP contribution to carbon removals or emissions from 1990 to 2014 using the stock-change, production, atmospheric flow, and simple decay approaches. It concluded that the U.S. HWP stored carbon under all accounting approaches. Net annual carbon stored in the HWP, however, declined under all approaches from 1990 to 2014. The second part of the dissertation investigated uncertainty in the estimates of carbon stock in HWP using Monte Carlo simulation. A sensitivity analysis was also performed. Results showed that the net annual carbon accumulation in HWP was affected by uncertainty associated with input parameters. Carbon estimates in the HWP were most sensitive to uncertainty in the parameter for the carbon conversion factor for roundwood. The third part of the dissertation used a multi-regional input-output model to analyze embodied carbon emissions in the U.S. trade of HWP with its major trading partners – Brazil, Canada, China, Germany, Japan, Mexico, and Russia. Results demonstrated that the U.S. was a net importer of carbon emissions involving HWP. China was the major contributor of imported emissions, and Canada was the biggest recipient of the U.S. exported emissions. The consumption-based method had a higher emissions inventory in the HWP than the production-based method. Per-capita emissions in the HWP increased with an increase in per-capita GDP. These studies can be informative for policy makers in incorporating HWP in climate change mitigation and adaptation strategies, and in understanding the economic-environmental relationships of international trade of HWP.

Since the last decade, an increasing number of proteins have been shown to be capable of undergoing reversible liquid-liquid phase separation (LLPS) in response to an external stimulus, and the resulting protein-rich phase (coacervate) is considered as one of the main components of membrane-less organelles. Most of these proteins are intrinsically disordered proteins (IDPs) or contain intrinsically disordered regions. More importantly, LLPS often plays an important role in cellular signaling and development of cells and tissues. However, the molecular mechanisms underlying LLPS of proteins remain poorly understood. Elastin-like proteins (ELPs), a class of IDPs derived from the hydrophobic domains of tropoelastin, are known to undergo LLPS reversibly above a concentration-dependent transition temperature (TT), allowing ELPs to be a promising thermo-responsive drug delivery vector for treating cancer. Previous studies have suggested that, as temperature increases, ELPs experience an increased propensity for type II beta-turns. Our hypothesis is that the interaction is initiated at the beta-turn positions. In this work, integrative approaches including experimental and computational methods were employed to study the early stages of ELP phase separation. Using nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), and paramagnetic relaxation enhancement (PRE), we have characterized structural properties of self-association in several ELPs. NMR chemical shifts suggest that ELPs adopt a beta-turn conformation even at temperatures below the TT. The intermolecular PRE reveals there is a stronger interaction between the higher beta-turn propensity regions. Building on this observation, a series of structural ensembles were generated for ELP incorporating differing amounts of beta-turn bias, from 1% to 90%. To mimic the early stages of the phase change, two monomers were paired, assuming preferential interaction at beta-turn regions. Following dimerization, the ensemble-averaged hydrodynamic properties were calculated for each degree of beta-turn bias, and results were compared with analytical ultracentrifugation (AUC) experiments at various temperatures. The ensemble calculation reveals that accessible surface area changes dramatically as oligomers are formed from monomers with a high beta-turn content. Together, these observations suggest a model where ELP self-association is initiated at beta-turn positions, where the driving force of phase separation is solvent exclusion due to changes in the hydrophobic accessible surface area.

This research has been conducted at Hunter Engineering Company. It aims to Design a Kit Packing Weighing System which performs a Quality Assessment of tool-kits while packing them on weighing scales. The main aspects of Kit-Packing are documented and suitable terminologies to address the process are established. The kits are categorized and a process for packing kits of different categories is suggested. A system to weigh Heavy, Medium and Light kits is presented. A Monte-Carlo Simulation Tool is developed and an Analysis using the Risk Solver Software is conducted to select the preferable method of establishing Tolerance Limits. A design for a Visual Basic coded Interface is outlined that will guide the Operator through the kit packing process and indicate whether to Accept or Inspect the kit. A Windows application of the Software was prototyped to demonstrate the System’s functionality which also is documented herein.

This work deals with the development and application of novel quantum Monte Carlo methods to simulate fermion-boson models. Our developments are based on the path-integral formalism, where the bosonic degrees of freedom are integrated out exactly to obtain a retarded fermionic interaction. We give an overview of three methods that can be used to simulate retarded interactions. In particular, we develop a novel quantum Monte Carlo method with global directed-loop updates that solves the autocorrelation problem of previous approaches and scales linearly with system size. We demonstrate its efficiency for the Peierls transition in the Holstein model and discuss extensions to other fermion-boson models as well as spin-boson models. Furthermore, we show how with the help of generating functionals bosonic observables can be recovered directly from the Monte Carlo configurations. This includes estimators for the boson propagator, the fidelity susceptibility, and the specific heat of the Holstein model. The algorithmic developments of this work allow us to study the specific heat of the spinless Holstein model covering its entire parameter range. Its key features are explained from the single-particle spectral functions of electrons and phonons. In the adiabatic limit, the spectral properties are calculated exactly as a function of temperature using a classical Monte Carlo method and compared to results for the Su-Schrieffer-Heeger model. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung neuer Quanten-Monte-Carlo-Methoden zur Simulation von Fermion-Boson-Modellen. Grundlage für unsere Entwicklungen ist der Pfadintegralformalismus, in dem das exakte Ausintegrieren der bosonischen Freiheitsgrade zu einer retardierten fermionischen Wechselwirkung führt. Wir geben einen Überblick über drei Methoden, die für die Simulation retardierter Wechselwirkungen geeignet sind. Insbesondere entwickeln wir eine neue Quanten-Monte-Carlo-Methode mit globalen Updates, die das Autokorrelationsproblem früherer Ansätze löst und linear in der Systemgröße skaliert. Wir demonstrieren die Effizienz dieser Methode am Beispiel des Peierls-Übergangs im Holstein-Modell und diskutieren Erweiterungen auf andere Fermion-Boson-Modelle sowie Spin-Boson-Modelle. Des Weiteren zeigen wir, wie mithilfe erzeugender Funktionale bosonische Observablen direkt aus den Monte-Carlo-Konfigurationen berechnet werden können. Dies beinhaltet unter anderem den Boson-Propagator und die spezifische Wärme des Holstein-Modells. Die methodischen Entwicklungen dieser Arbeit erlauben es uns, die spezifische Wärme des spinlosen Holstein-Modells in seinem gesamten Parameterbereich zu untersuchen. Ihre wesentlichen Merkmale werden mithilfe der Einteilchenspektralfunktionen von Elektronen und Phononen erklärt. Im adiabatischen Grenzfall verwenden wir eine klassische Monte-Carlo-Methode, um die Temperaturabhängigkeit der Spektralfunktionen exakt zu berechnen, und vergleichen unsere Ergebnisse für das Holstein-Modell mit Resultaten für das Su-Schrieffer-Heeger-Modell.

In this thesis we consider the hybrid quantum Monte Carlo method for simulations of the Hubbard and Su-Schrieffer-Heeger model. In the first instance, we discuss the hybrid quantum Monte Carlo method for the Hubbard model on a square lattice. We point out potential ergodicity issues and provide a way to circumvent them by a complexification of the method. Furthermore, we compare the efficiency of the hybrid quantum Monte Carlo method with a well established determinantal quantum Monte Carlo method for simulations of the half-filled Hubbard model on square lattices. One reason why the hybrid quantum Monte Carlo method loses the comparison is that we do not observe the desired sub-quadratic scaling of the numerical effort. Afterwards we present a formulation of the hybrid quantum Monte Carlo method for the Su-Schrieffer-Heeger model in two dimensions. Electron-phonon models like this are in general very hard to simulate using other Monte Carlo methods in more than one dimensions. It turns out that the hybrid quantum Monte Carlo method is much better suited for this model . We achieve favorable scaling properties and provide a proof of concept. Subsequently, we use the hybrid quantum Monte Carlo method to investigate the Su-Schrieffer-Heeger model in detail at half-filling in two dimensions. We present numerical data for staggered valence bond order at small phonon frequencies and an antiferromagnetic order at high frequencies. Due to an O(4) symmetry the antiferromagnetic order is connected to a superconducting charge density wave. Considering the Su-Schrieffer-Heeger model without tight-binding hopping reveals an additional unconstrained Z_2 gauge theory. In this case, we find indications for π-fluxes and a possible Z_2 Dirac deconfined phase as well as for a columnar valence bond ordered state at low phonon energies. In our investigations of the several phase transitions we discuss the different possibilities for the underlying mechanisms and reveal first insights into a rich phase diagram. / In der vorliegenden Arbeit betrachten wir die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode für Simulationen des Hubbard- sowie des Su-Schrieffer-Heeger-Modells. Zunächst diskutieren wir die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode am Beispiel des Hubbard-Modells auf dem Quadratgitter. Wir zeigen mögliche Ergodizitätsprobleme auf und präsentieren eine Möglichkeit, diese durch Verwendung komplexwertiger Hilfsfelder zu vermeiden. Für Simulationen des halbgefüllten Hubbard-Modells auf Quadratgittern vergleichen wir die Effizienz der Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode mit der einer weit verbreiteten und gebräuchlichen Determinanten-Quanten-Monte-Carlo-Methode. Ein Grund für die Niederlage der Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode in diesem Vergleich ist die Skalierung des benötigten Rechenaufwandes. Die erhoffte sub-quadratische Skalierung in Abhängigkeit von Systemgröße und inverser Temperatur wird nicht beobachtet. Anschließend präsentieren wir eine Formulierung der Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode zur Untersuchung des halbgefüllten Su-Schrieffer-Heeger-Modells in zwei Dimensionen. Elektron-Phonon-Modelle wie dieses sind in mehr als einer Dimension für gewöhnlich mit anderen Quanten-Monte-Carlo-Methoden nur schwer simulierbar. Es stellt sich heraus, dass sich die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode deutlich besser zur Simulation dieses Modells eignet. Wir erreichen eine vorteilhafte Skalierung des Rechenaufwandes und präsentieren einen Machbarkeitsnachweis. Folglich verwenden wir die Hybrid-Quanten-Monte-Carlo-Methode für nähere Untersuchungen des Su-Schrieffer-Heeger-Modells. Wir zeigen numerische Resultate für eine gestaffelte Ordnung aus Valenzbindungen bei kleinen Phononfrequenzen und für eine antiferromagnetischen Ordnung bei hohen Frequenzen. Aufgrund einer O(4)-Symmetrie ist die antiferromagnetische Ordnung mit einer supraleitenden Ladungsdichtewelle verknüpft. Ohne Tight-Binding-Hüpfparameter offenbart das Su-Schrieffer-Heeger-Modell eine zusätzliche spezielle Z_2 -Eichsymmetrie, die nicht den Satz von Gauß erfüllt. In diesem Fall finden wir Hinweise für einen π-Flux-Zustand. Bei niedrigen Phononenergien gibt es außerdem Anzeichen für einen möglichen Z_2 Dirac deconfined Zustand sowie eine spaltenweise Ordnung von Valenzbindungen. Bei Untersuchungen der Phasenübergänge beleuchten wir die möglichen Mechanismen, die den Übergängen zugrunde liegen. Zum Abschluss diskutieren wir das vielfältige Phasendiagramm, in welches wir erste Einblicke ermöglichen.

Clearly, in nature, but also in technological applications, complex systems built in an entirely ordered and regular fashion are the exception rather than the rule. In this thesis we explore how critical phenomena are influenced by quenched spatial randomness. Specifically, we consider physical systems undergoing a continuous phase transition in the presence of topological disorder, where the underlying structure, on which the system evolves, is given by a non-regular, discrete lattice. We therefore endeavour to achieve a thorough understanding of the interplay between collective dynamics and quenched randomness. According to the intriguing concept of universality, certain laws emerge from collectively behaving many-body systems at criticality, almost regardless of the precise microscopic realization of interactions in those systems. As a consequence, vastly different phenomena show striking similarities at their respective phase transitions. In this dissertation we pursue the question of whether the universal properties of critical phenomena are preserved when the system is subjected to topological perturbations. For this purpose, we perform numerical simulations of several prototypical systems of statistical physics which show a continuous phase transition. In particular, the equilibrium spin-1/2 Ising model and its generalizations represent -- among other applications -- fairly natural approaches to model magnetism in solids, whereas the non-equilibrium contact process serves as a toy model for percolation in porous media and epidemic spreading. Finally, the Manna sandpile model is strongly related to the concept of self-organized criticality, where a complex dynamic system reaches a critical state without fine-tuning of external variables. Our results reveal that the prevailing understanding of the influence of topological randomness on critical phenomena is insufficient. In particular, by considering very specific and newly developed lattice structures, we are able to show that -- contrary to the popular opinion -- spatial correlations in the number of interacting neighbours are not a key measure for predicting whether disorder ultimately alters the behaviour of a given critical system. / Ohne Zweifel stellen vollständig regelmäßig aufgebaute komplexe Systeme sowohlin der Natur als auch in technischen Anwendungen eher die Ausnahme als die Regel dar. In dieser Arbeit erforschen wir, wie sogenannte kritische Phänomene durch eingefrorene räumliche Unordnung beeinflusst werden. Konkret untersuchen wir physikalische Systeme, welche einen kontinuierlichen Phasenübergang aufweisen, in Gegenwart von topologischer Unordnung. Die räumliche Struktur, auf der sich das dynamische System entwickelt, ist in diesem Fall durch ein unregelmäßiges diskretes Gitter gegeben. Die Erlangung eines tiefergehenden Verständnisses des Zusammenspiels von physikalischer Dynamik und räumlicher Unordnung kann daher als das Hauptziel unserer Unternehmung angesehen werden. Ein gleichermaßen faszinierendes wie zentrales Konzept in der statistischen Physik stellt die sogenannte Universalität dar, gemäß welcher das kollektive Verhaltenvon Vielkörpersystemen im kritischen Bereich nahezu unabhängig von der spezifischen mikroskopischen Realisierung der Wechselwirkungen ist. Als Konsequenz sind selbst in völlig unterschiedlichen Systemen bemerkenswerte Ähnlichkeiten an den jeweiligen Phasenübergängen beobachtbar. Diese Dissertation geht nun der Frage nach, inwieweit diese universalen Eigenschaften erhalten bleiben, wenn das System topologischen Störungen ausgesetzt wird. Zu diesem Zweck werden umfangreiche numerische Monte-Carlo-Simulationen von einigen prototypischen Systemen, welche einen kontinuierlichen Phasenübergang aufweisen, durchgef ührt. Ein prominentes Beispiel für ein System im thermodynamischen Gleichgewicht stellt dabeidas Spin-1/2 Ising-Modell dar, welches unter anderem magnetische Eigenschaftenvon Festkörpern modelliert. Zusätzlich werden auch Systeme fernab des Gleichgewichts behandelt, wie etwa der Kontaktprozess, welcher ein vereinfachtes Modell für Perkolationsprozesse in porösen Stoffen oder auch für die Ausbreitung von Epidemien darstellt, sowie spezielle Modelle, welche in engem Zusammenhang mit selbstorganisiertem kritischen Verhalten stehen. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass der Einfluss von topologischen Störungen auf kritische Phänomene derzeit noch unzureichend verstanden ist. Insbesondere gelingt es uns mittels spezieller eigens entwickelter Gitterkonstruktionen zu zeigen, dass lokale räumliche Korrelationen in der Anzahl von wechselwirkenden Nachbarn, entgegen weitläufiger Meinung, kein adäquates Maß sind, um den Einfluss von Unordnung auf das Verhalten eines kritischen Systems vorhersagen zu können.

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