30 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerkニュース) 婚約指輪のダイヤモンド、不思議な素材 グラフェン 素朴な鉛筆の「芯」はすべてカーボンでできていますが、大きく異なる特性を示します。 このような炭素材料は、原子の構造の再配置のみに基づいて、材料に多様な特性がどのように現れるのかを示す最も有名な例の XNUMX つです。 埼玉県にある理化学研究所創発物性科学研究センター (CEMS) の目標は、エネルギー効率の高い新しい技術のための材料を開発することです。 新しい材料を合成する通常のアプローチには、強度や耐久性、電気や熱の伝導性の向上などの特性の向上を求めることが含まれます。 しかし、CEMS は、その標準的なアプローチをひっくり返す代替アプローチを開拓しています。 まず、新しいデバイスに必要な特性を考え、理研の新しいリポジトリとシミュレーション プラットフォームからのデータを使用して、これらの特性を提供する原子構造を計算し、次に特注の材料を構築します。

持続可能な小規模

CEMS は電子機器の小型化に取り組んでいますが、エンジニアは小型化において多くの限界に達しています。 たとえば、スマートフォンなどのデバイスに搭載されている標準コンポーネントである「インダクタ」に注目してみるとよいでしょう。 これらのワイヤのコイルは、回路内の電流の流れを磁場エネルギーとして蓄えることによって制御します。 一見すると、物理学者はコイルのサイズを小さくすることでインダクタを小さくできると考えるかもしれませんが、これによりエネルギーを蓄積する能力が低下します。 数年前、CEMS の物理学者は革新的なソリューションを発見しました。 彼らは、特定のエキゾチックな磁性材料の特異な特性がワイヤを必要とせずにインダクタを模倣できることに気づきました。1 この特徴は、「スピン」と呼ばれるすべての電子に固有の量子特性に関連しており、特定の方向を指す目に見えない軸上で電子を回転させます。方向。 通常の磁石では、電子のスピンが一方向に揃って磁気効果を生み出します。 しかし、CEMS の物理学者たちは、電子が螺旋状に配列する自然発生物質であるヘリ磁石に興味を持っていました。 彼らは、いくつかの導電性ヘリ磁石がワイヤのコイルを模倣し、小さなインダクタとして機能すると考えました。その考えは 2020 年の CEMS 実験で実証されました (自然, 「ヘリカルスピン磁石における緊急電磁誘導」）。 最初に調査されたヘリ磁石は、エネルギーを大量に消費する超低温でのみ動作するものでしたが、CEMS の研究者は、東京大学と共同で、室温でも動作するヘリ磁石を発見しました (PNAS, 「室温を超えた緊急電磁誘導」）。 ただし、克服しなければならない障害は他にもあります。 たとえば、ヘリ磁石はメガヘルツ領域以下でのみ動作しますが、携帯電話などのデバイスは、はるかに高いギガヘルツ範囲の周波数で動作します。 ヘリ磁石は、電子がらせん状に配置された一連の自然発生物質です。 一部の小さな導電性ヘリ磁石は、磁場エネルギーとして蓄えることで回路内の電流の流れを制御するワイヤーのコイルであるインダクターを模倣することができます。 （画像：理化学研究所）

磁気メモリ

CEMS で研究されているもう 10,000 つの小さなねじれ技術は、エレクトロニクスにおけるメモリ ストレージに革命をもたらす可能性があります。 これにはスキルミオンが含まれます。スキルミオンとは、スピンがすべて外側を向くように配向された電子の球状の結び目で、丸まったハリネズミに似ています。 これらの構成は、システムに追加のエネルギーが投入された場合にのみ展開されるため、非常に安定しています。 スキルミオンは外部磁場によって簡単に動き回り、破壊するのが難しいため、粒子のように機能します。 これにより、スキルミオンの位置でエンコードされる情報を保存するための魅力的なツールになります。 非常に安定しているため、エラーやメモリ破損に対しても堅牢です。 重要なのは、スキルミオンは非常に小さいということです。スキルミオンは 1 分の 2 マイクロメートルより小さいこともあります。つまり、人間の髪の毛の幅の XNUMX 分の XNUMX から XNUMX 分の XNUMX であるわずか XNUMX μmXNUMX (マイクロメートルの二乗) に XNUMX 個のスキルミオンを詰め込むことができます。 これにより、非常に高密度のメモリストレージとより小型のメモリストレージデバイスが可能になります。 しかし、またしても障害が発生します。 これまでのところ、物理学者は電子ノットの密度が低い材料ではスキルミオンを簡単に操作できましたが、最も関心のある高密度のノットでは操作できませんでした。大きな不満は、適切なスキルミオンを見つける背後に本当の戦略がないことです。 - ホスティング資料。 現在のアプローチは、化合物を作成し、それを測定し、適合するかどうかを確認し、適合しない場合は別の化合物を作成することです。 通常、よく知られた材料の構造を微調整することによって新しい材料を発見するのは化学者です。 次に物理学者は、それらの光学的、電気的、磁気的、熱的、機械的特性を注意深く測定することにより、そこから現れる新しい特性をカタログ化します。 最後に、エンジニアは有用な機能を備えた材料を取得し、それを活用するデバイスを構築します。 すべては試行錯誤です。 さらに悪いことに、科学者は成功した試みを同僚にのみ報告する傾向があります。 これは、異なるグループが同じ間違いを繰り返すことで、多くの時間とリソースが無駄になることを意味します。 CEMS は、理研内からアクセスできるオンライン プラットフォームを介して実験室実験のデータとスーパーコンピューター シミュレーションを体系的に組み合わせることで、このプロセスをより効率的にする新しいデジタル プラットフォームを構築しています (ボックス: 材料科学の未来への旅を参照)。 その目的は、科学者が必要なデバイスのビジョンから始めて、逆算して要件に一致する特注の材料を作成することを容易にすることです。

材料科学の未来への旅

人間がデバイス用の新しいコンポーネントを設計しようとするときに、研究室で操作できる要素は 80 種類ほどしかありません。 しかし、これら 80 個の元素の原子を再配置して、ほぼ無限の数の新しい材料を設計することができます。これは、これを研究するには驚くべき量のデータが必要であることを意味します。 これを念頭に、理化学研究所創発物性科学研究センター（CEMS）は、理研内のさまざまなデータプラットフォームを連携させることを目的とした理研全体の取り組みである「TRIP」（「革新的研究イノベーションプラットフォーム of RIKEN Platforms」）の推進に貢献しています。新しい科学パラダイムを開発します。 CEMS は、実際の実験室での実験から得られた知識と、スーパーコンピューターによって作成された予測材料特性のシミュレーションを組み合わせたリポジトリを通じてこのイニシアチブに参加しています。 人工知能、または AI を活用して、必要な特性に基づいて有用な新材料を設計し、科学者が合成できるようにすることができます。 CEMSの副所長である有馬貴久氏は、このプロジェクトは物理学に基づいているにもかかわらず、生物学からインスピレーションを得ていると述べ、AIは近年、生物学者にとってかつて最大の未解決問題の一つであったタンパク質の折り畳み方を正確に予測することに大きな成功を収めていると述べた。 「しかし、材料科学への挑戦ははるかに困難です。なぜなら、より多くの構成要素があるからです」と有馬氏は言います。 TRIP は将来に向けて、これらの問題に対処するために、量子コンピュータ (今日のスーパーコンピュータを上回る性能を発揮する可能性がある開発中のマシン) によるシミュレーションと予測を組み込むことを目指しています。 「私たちは科学のデジタル変革の先駆者です」と有馬氏は言います。 成長したアリマは、まったく異なる野心を抱いていました。 「気象学者になって天気を予測したいと思っていました。 しかし、大学で、たとえば台風の進路を操作するどころか、予測しようとするときに、いかに多くの複雑な要因が関係するかに気づいて考えが変わりました」と彼は言う。 「対照的に、物性物理学は魅力的な明快さと制御を提供します。 物質の特性は非常に多様ですが、それらは原子内の電子と原子核の単純な挙動によって生成されます。」 これはコンピューティング能力の向上と相まって、私たちが思っているよりも早く、材料が私たちの生活を変える力を持つようになるはずだと彼は言います。

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63959.php