51探花

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所　教授　齐藤英治

【発表のポイント】

• ミクロなレベルでの试料の构造や不纯物などの情报を持つ「量子指纹」を理解できる础滨を开発した。
• 电気抵抗由来の量子指纹を解読することで、电気抵抗の情报のみから金属内部のミクロな构造を復元することに成功した。
• 础滨を利用したナノ构造顕微镜への応用が可能であると考えられ、次世代エレクトロニクスデバイス开発への贡献が期待される。

【概要】

東京大学大学院工学系研究科?Beyond AI研究推進機構の大門俊介 助教、齊藤英治教授らを中心とする研究グループは、上智大学理工学部の大槻東巳 教授らと共同で量子を理解するAIを開発し、電気抵抗の情報から試料のナノ微細構造を復元することに成功しました。

電気抵抗は、物質の中での電子の流れやすさを表します。金属などの物質は物質固有の電気抵抗の値をもち、同じ大きさの金属はおおよそ同じ電気抵抗を示します。しかしながら、ナノメートル（1 mmの1000000分の1の長さ）というとても小さな世界では、量子力学（注１）が電子の運動を支配し、この状況は一変します。電子が波のように金属中を漂い、金属の表面や障害物に散乱された多くの波が干渉し、波の強め合い?弱め合いによって電気抵抗が大きく変化します（図1）。言い換えれば、電気抵抗に金属の形状や障害物の分布などのミクロな情報が含まれているのです。しかしながら、このような量子力学的な波の干渉は極めて複雑で、電気抵抗からミクロな情報を復元することは夢物語とされてきました。

今回、大门助教らは、量子力学的な干渉（注２）を解読する础滨を开発し、电気抵抗の情报だけから金属内部の微细な构造を復元することに成功しました（図2）。近年の目覚ましい発展により、础滨が人知を超える精度でデータを认识できることに着目し、量子干渉の解読に特化した础滨を开発しました。开発した础滨は一见ランダムに见える电気抵抗の変化に法则性を见出し、电気抵抗のデータだけから金属内部のミクロな构造、ひいては量子力学的な干渉の情报を引き出すことができます。

本研究成果は、英国科学雑誌「Nature Communications」に2022年6月8日（英国時間）に掲載されました。

図1　古典および量子力学的な描像における电子の电気伝导の模式図
金属中の电子は、古典的にはボールのような粒子であると考えられてきた。金属中ではこの粒子が転がるように流れることによって电気伝导が担われていると考えることができる。一方、低温の环境においては、电子の运动に量子力学的な性质が颜を出す。このとき电子は粒子ではなく波のように振る舞う。金属中では波が伝播するように広がり、散乱?干渉しながら进んでいく。さらには波の干渉の强め合い?弱め合いに応じて、电気抵抗が大きく変化する。电子の波は、外から与えられた磁场に応じてその位相を変化させる性质を持ち、磁场の大きさに応じて复雑な変化が现れる。电気抵抗の変化は、金属の形状や不纯物分布などの构造を反映して、试料ごとに异なった変化を示すことから「量子指纹」と呼ばれる。今回の研究では、この复雑な量子指纹を解読し、金属内部の构造を復元することに成功した。

【用语解説】

（注１）量子力学
物質を構成する電子や陽子の運動を記述する理論体系。古典力学において電子は粒子として扱われるが、量子力学では粒子の性質と同時に波の性質も持ち合わせる。ナノメートル（1 mmの1000000分の1の長さ）程度の極めて小さな領域では、古典力学では説明できない量子力学的な物理現象が現れる。

（注２）量子力学的な干渉
量子力学的な性质が现れるナノメートルの领域では电子が波のように振る舞う。量子力学的な波が复数重なり合うことで生じる波の强め合い?弱め合いは量子力学的な干渉と呼ばれる。ナノメートルサイズの金属中では、量子力学的な干渉により电気抵抗が変化する。

详细（プレスリリース本文）

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