従来の課題 細胞老化や細胞死に至る細胞のダメージを早期に発見することは、さまざまな病気の治療戦略開発の鍵となります。そのためには、発症から終末までの細胞の変化を観察する(細胞イメージング)ことが不可欠です。現行手法の多くが、可視光や紫外光などの細胞に有害な光を用いていること、複数の損傷状態を同時に検出する感度や能力に欠けることなどの問題を抱えています。このため、しばしば、疾病の発見が遅れたり、治療後の細胞運命の全体像が不完全になったり、治療効果に誤った結論が導かれたりします。それらの問題を解決するために、細胞に無害な赤外光〜近赤外...

従来の課題 近年、深層学習や生成AIに代表される機械学習の消費電力が指数関数的に増大しており、深刻な社会問題となっています。この解決に向けて低消費電力かつ高い計算性能を備えた人工知能(AI)デバイスの需要が高まっています。高効率な脳型情報処理であるリザバーコンピューティングを行うAIデバイス「物理リザバー」は、計算負荷(必要な積和演算の数)が小さく省電力であるため注目されていますが、ソフトウェア処理に比べて低い計算性能が課題でした。 成果のポイント 今回、NIMS、...

従来の課題 二酸化ルテニウム(RuO2)は、「第三の磁性」である交代磁性を示す有力候補として注目されてきました。従来の強磁性体は外部磁場で容易に書き込める一方、漏れ磁場による記録エラーが高密度化の壁でした。反強磁性体は漏れ磁場などの外乱に強いものの、スピン(原子レベルのN極-S極)が打ち消し合うため電気的な読み出しが難しいという課題があります。そこで、外乱に強く、しかも電気的に読み取り—将来的には書き換えまで狙える—という“いいとこ取り”の磁性体が求められてきま...

東京大学、物質・材料研究機構(NIMS)、岡山大学、ジョージア工科大学、コロラド大学ボルダー校からなる国際共同研究グループは、有機半導体を用いた整流ダイオードにおいて、920 MHzの交流電力を直流電力に実用的な効率(約5%)で変換することに、世界で初めて成功しました。この周波数はUHF帯に分類され、IoT向けの無線通信への応用が期待されています。優れた整流ダイオードの実現には、錯体カチオン単分子層と電子を局所的に導入する新手法が鍵となりました。本研究は、インク状の材料から低コストな印刷プロセスによって作製できる有機エレクトロニクス素子が、GHz領域でも動作可能...

従来の課題 リチウム空気電池は、理論上の重量エネルギー密度が現在主流のリチウムイオン電池の数倍に達する、「究極の二次電池」として注目されています。NIMSの研究グループは、2021年に500Wh/kg級という、現行のリチウムイオン電池のエネルギー密度の2倍以上の重量エネルギー密度を持つリチウム空気電池を開発しました。しかし、実用化に向けては、高出力性能の確保やサイクル寿命の向上など、複数の技術的課題を克服する必要があります。加えて、これまでに報告されているリチウム空気電池の電力量の多くは0.01Wh以下にとどまっており、実用的な電...

従来の課題 ホイスラー合金は、3種類以上の元素で構成される規則構造や不規則構造を持ち、その組み合わせによって半導体や磁性体など多彩な特性を示すため、スピントロニクスや熱電変換デバイスといった幅広い分野への応用が期待されています。近年では、計算機シミュレーションや機械学習を使って優れた特性を持つ組成を探す研究が活発に進められています。ところが、これまでの理論研究は探索の範囲が限られていたうえに、結晶の安定性の評価が不十分でした。その結果、計算で有望とされた組成が、実際の合成では必ずしも安定せず実用化に至らない例も報告されています。こ...

従来の課題 嗅覚は、食の安全、環境モニタリング、医療診断、快適な生活空間の創出など、私たちの暮らしに欠かせない役割を担っています。このように重要な人間の嗅覚を、人工的に再現する人工嗅覚技術(嗅覚センサ)は、複数の化学センサでニオイ分子を検出し、AI(人工知能)がそれを分類・識別する技術です。しかし現在の人工嗅覚は、化学センサの感度や識別精度に限界があり、実用化は十分に進んでいません。この課題を解決するには、人工嗅覚を支える化学センサをさらに高性能化する必要があります。その中心となるのが、ニオイ分子をとらえる「感応材料」の開発です。...

従来の課題 異常ホール効果は、磁性体に電流を流すと、電流と磁化(N極-S極の向き)の両方に直交する方向に電圧が発生する現象です。この特性を利用すると、磁化の変化を電気信号として敏感に検出できるため、次世代ハードディスクドライブ用リードヘッドや高性能磁気センサなどへの応用が期待されています。特に、大きな異常ホール効果を示す新規材料として期待される3種類以上の元素を含む多元素磁性合金では、元素の種類と組成比の組み合わせが膨大で(いわゆる「組み合わせ爆発」)、さらに1試料の評価に時間がかかるため、この広大な探索空間はほとんど未開拓のまま...

従来の課題 二硫化モリブデン(MoS2)は数原子層からなる新素材で優れた半導体特性を持ち、次世代電子デバイスの材料として世界的に注目されています。その材料の性能は、ナノメートルレベルで微小に回転(ツイスト)した領域の有無や極性(原子配列の方向)などの微細構造に左右されます。従来技術ではその微細構造を高精度かつ広範囲に評価することが難しく、理想的な材料設計や製造工程の調整が手探り状態でした。今後の革新的な材料開発やデバイス応用を加速させるためには、こうしたツイストや極性をナノレベルで解析できる新しい分析技術が不...

従来の課題 TMR素子は、磁性体の間にある極薄の絶縁層を電子が量子トンネル効果で通過することで動作します。この絶縁層には、現在主に酸化マグネシウム(MgO)が使用されています。MgOは、磁気状態による抵抗の変化率(TMR比)が高く、磁気状態の検出性能に優れている一方で、電子が通りにくい「バリア高さ」が高いため、トンネル電流が抑制され、素子全体の電気抵抗が大きくなるという課題がありました。このため、トンネル効果を維持しながらバリア高さを下げ、トンネル電流を増加させられる新たなバリア材料の開発が強く求められていました。 ...

従来の課題 何回負荷を繰り返し与えても材料が破断しない応力の上限値(疲労限度)は引張強度に比例して上昇します。しかし、引張強度が約1.4GPa(ギガパスカル)を超えると疲労限度がそれ以上向上しない、もしくは低下する“頭打ち”状態となります。たとえば、代表的な高強度鋼であるマルテンサイト鋼は、最も高強度な“焼き入れまま”状態では疲労限度が低いため、一般的に“焼き戻し熱処理”により強度を低下させた状態で用いられています。疲労限度が頭打ちになる詳しい仕組みはわかって...

従来の課題 無機物質は複数元素を反応させることで合成します。過去に合成されていない新物質の合成に成功し、その物質が特殊な物性や役立つ機能を持っていれば、新材料として実用化が期待できる「宝」となる可能性もあります。しかし結晶構造データベースにない組み合わせの中には、過去に試してただ反応しなかっただけのものも多く含まれており、合成の可能性をあらかじめ予想することが効率的な新物質探索のために求められていました。 成果のポイント 今回、3種類以内の元素の組における物質の生成...

従来の課題 従来の熱電モジュールでは、ゼーベック効果と呼ばれる熱流と同じ向きに電流が発生する“縦型”熱電効果が採用されており、材料性能指数zTが高い一方、熱流と電流の経路を分けるためにモジュール構造が複雑化してしまうという課題があります。そこで近年、モジュール構造を大幅に簡略化できるため、熱流と直交方向に電流が発生する“横型”熱電効果が注目を集めています。しかし、これまで知られていた横型熱電材料のzTは縦型熱電材料に比べて非常に低いという問題があり...

従来の課題 材料データは機密性が高く、他機関と共有することが困難です。しかし、取得には多大な時間とコストがかかり、機関を超えた活用が望まれます。特に、発電設備の耐熱材料寿命データは、取得に10年以上かかる場合があり、産学連携が求められています。 成果のポイント NIMSは、データを秘匿したまま各機関で分散して機械学習を行うシステムを開発し、6社2国研のデータをお互いに開示せずに秘匿したまま機械学習を実施。耐熱鉄鋼材料の長期耐久性を予測するモデルを構築しました(図)。...

従来の課題 炭素原子のπ結合から生じた自由に動き回る電子「π電子」について、そのスピンの特性を生かして有機分子をナノスピントロニクスへ展開する可能性が世界中で注目を集めています。ギャップ励起など、スピン同士の強い相互作用から物質全体で発現するさまざまな特性の存在は証明されてきました。しかし、分子ごとにスピンの状態を観察できる分子鎖の合成が困難であったため、単一のスピン同士がどのように相互作用をして物質全体の特性に影響しているのか、詳細な分析が困難でした。特に、スピン同士が相互作用して互いに反対方向を向く「スピン-1/2...

NIMS、東北大学と光科学イノベーションセンターからなる研究チームは、わずか1日の実験で、ハーフメタル性を有するCo-Mn-Siホイスラー合金のスピン分極状態が最も高い組成を同定することに成功しました。1つの基板上に組成を徐々に変化させた組成傾斜薄膜を作製し、高輝度放射光施設 NanoTerasuにおける強力な放射光源を用いた計測により実現した成果です。超高効率なハーフメタル材料の最適化が可能になることで、高性能スピンデバイス用の新材料開発が加速することが期待されます。ハーフメタル材料は、伝導電子の...