mixiユーザー(id:68846942)
2026年07月05日00:02
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｢トポロジカル絶縁体デバイス｣が拓く明るい未来とは？
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【キーワード】重要国家開発PJ、失われた30年を挽回、産業と生活を一新する
【１】国際賞を受賞した山下真由子京都大准教授が数学の証明を行った｢トポロジカル絶縁体｣とは？
当方は､ https:/
この報告の中で､山下真由子准教授の受賞理由･功績として､｢数理物理学､指数定理への貢献｣を挙げたが､この｢指数定理｣は｢解析学｣と｢幾何学｣と云う見掛け上異なった体系の間のつながりを与えていると云う意味で､20世紀の微分幾何学に於ける最も重要な定理とも云われる｡
山下真由子京都大准教授の貢献は､金属学の鋼(はがね)の焼入れ(結晶変態､相転移)や､21世紀の新規の省エネ電子デバイスである｢トポロジカル絶縁体｣デバイスや､｢量子力学｣の事象や､｢宇宙物理学｣の｢相転移｣事象である､｢物質の質量獲得｣や｢宇宙のインフレーション｣や､｢初期の急速な膨張(インフレーション)｣の｢真空相転移｣や､｢宇宙ひもや重力波の生成｣などの｢自発的対称性の破れ｣と云う､対称性の高い高温状態から､安定した秩序を持つ低温状態への｢相転移｣事象の数学的証明と幅広く､｢圧倒的に学術的プレゼンスが秀でている｣と絶賛された所以(ゆえん)となっている！
云うならば､日本出身の､女性版の｢21世紀のアインシュタイン｣の誕生とも評せられる､久々の明るい話題だ！
更に､大阪大学の深谷英則氏らの研究の｢APS指数定理と同じ結果を与える新しい定式化を見出す研究である､｢非局所的境界条件を必要とせず､ドメインウォールフェルミオンと呼ばれる､トポロジカル絶縁体の良い模型となる演算子を用いて､APSと同じ結果を与える物理量を定式化した｣研究に於いて､
｢指数定理の専門家である山下真由子氏らが加わり､物理､数学の分野をまたがる共同研究へと発展した結果､｢任意のAPS指数に対して､それと同じ結果を与えるドメインウォールフェルミオンの演算子が存在する｣事の数学的証明を与える事が出来た｡｣と､山下真由子准教授の貢献･寄与を報告している｡
この山下真由子准教授が数学的な証明を行った､｢トポロジカル絶縁体｣は､画期的な電子デバイス(素子)となる可能性が高く､言わば､｢21世紀版のトランジスター･IC素子｣だ！
この｢トポロジカル絶縁体｣デバイスが実用化されれば､消費電力は､1/100から1/1000くらいに桁違いに下がるので､かなり応用が広がり､データサーバーの消費電力が大きく下がる事になるので､非常にコンパクトな電源で､今と同じデータ量を扱う事が出来る様になり､社会インフラのモニタリングでも､省電力のトポロジカル絶縁体を使ったトランジスタが出来れば､無線でデータを集めて､全国の橋梁のモニタリングデータとして蓄積出来て､どの橋梁が､今危ないのかを検出して､震災で落下した橋などのデータを蓄積しておけば､GPSと連動して災害を食い止めると云った応用にも使える｡省電力に寄与するトポロジカル絶縁体デバイスが開く未来は､明るい！
ここで､｢トポロジカル絶縁体｣ダバイスの活躍の場は､以下の通りだ｡
『
トポロジカル絶縁体デバイスは､内部が絶縁体､表面が金属(伝導性)と云う特殊な性質を持つ物質を用いた次世代電子部品だ｡散乱されにくい｢ディラック電子｣に依り､超低消費電力､高速動作､量子コンピュータの量子ビット､高効率太陽電池への応用が期待されている｡
主な特徴と期待される応用:
�…秕暖馘杜�(スピントロニクス)：電子スピンの向きが運動方向に垂直に固定され､散乱しにくい｢トポロジカル表面状態｣を利用｡熱損失が非常に少ないスピントロニクス素子｡
�⇔婿劵灰鵐團紂璽�(量子ビット)：トポロジカル超伝導体状態を利用した､量子ノイズに強い｢マヨラナ準粒子｣に依る安定した量子ビットの実現｡
�９盡�率太陽電池･光デバイス：赤外線パルス照射で発生するディラック電子を用いた､超高速応答する機能性光デバイス｡
�ぜЮ�トポロジカル絶縁体：磁場に依り電気分極を制御する｢電気磁気効果｣や､室温での量子異常ホール効果などの新奇物理現象を利用したデバイス｡
�ズ猯然�発：テルルの1次元量子細線や超格子構造など､室温で動作する安定的な材料探索が進んでいる｡
今後､更なる高温度(室温以上)での安定した動作と､実用的な半導体デバイスとの統合が研究の焦点となっている｡
』
現在､日本のCPUやメモリや液晶や太陽光パネル等の電子デバイスは､中国､韓国の後塵を拝する様な体たらく状態であり､｢失われた30年！｣等と云われているが､｢トポロジカル絶縁体デバイス｣の開発･実用化で先陣を切れば､この｢失われた30年！｣を挽回し､日本の産業と生活を改革･一新する事が出来て､まさに､日本の明るい未来を拓く､礎(いしずえ)になる将来技術だ！
ここは､｢トポロジカル絶縁体デバイス｣の開発･実用化プロジェクトを最優先の国家プロジェクトにして､官民総力で取り組むべきだろう！
｢富士通｣と｢NEC｣と｢東芝｣を再興させて､世界に｢電子立国日本！｣を見せ付けるべきだ！
【２】｢トポロジカル絶縁体｣とは､何か？
ここで､｢トポロジカル絶縁体｣とは､何か？
｢トポロジカル絶縁体､未来材料の夢広がる｣
https:/
(TELESCOPE Magazine No.008)(2015/02/27)
に依れば､
『
この｢トポロジカル絶縁体｣と云う材料は21世紀に入って見つかった材料だ｡最初は理論的に予想されているだけだったが､その後､実験に依り確立された材料だ｡
無機物質には､導電体(金属)､半導体､絶縁体と､大きく分けて3つの種類があり､通常は室温(20〜30℃)でどれかに属する｡ところが､トポロジカル絶縁体は､表面は導電体なのに中は絶縁体と云う材料なのだ(添付図１)｡
現状の何かをトポロジカル絶縁体と置き換えると云う事だけではなく､例えば､電子スピンの時間反転対称性(時間の流れを逆にしても変わらないと云う対称性を持つ)と云う独特の特性を持っている事を積極的に活用する事も出来る｡スピンの時間反転対称性とは､或る保存則があり､それに依って､一定の条件でしかスピンが存在しない性質を指す｡この性質を活かし､スピンだけで動作する様なデバイスが出来れば､現在の半導体チップよりも発熱量を減らして､省エネルギーで動作する事が可能になる｡(添付図２)｡
【３】｢トポロジカル絶縁体｣デバイスが拓く未来とは？
トポロジカル絶縁体を使って､どの様なデバイスが出来るのだろうか？
例えば､現在のシリコンLSIに使われているMOSトランジスタは､ゲート(入力端子)に電圧を加えて出力の電流を制御する｢電界効果トランジスタ｣(添付図３)が､トポロジカル絶縁体のトランジスタは､ゲート電圧の代わりに､磁界を加えて電流を制御出来る｡つまり､｢磁界効果トランジスタ｣の様なものだ｡
デバイスの消費電力と云う観点では､今のMOSトランジスタでは､0.5Vとか0.3Vと低い電圧で動作するFET(トランジスタ)の開発が行われているが､トポロジカル絶縁体だとどのくらい消費電力は下がるのかと云うと､1/100から1/1000くらいに桁違いに下がるので､かなり応用が広がるだろう｡
物性･材料研究機構では､データサーバーの省電力化と云うプロジェクトを進めている｡実はグーグルとかアマゾンの様なサーバーは非常に大きな電力を消費していて､発電所がそばにあると云われている｡ただ､その消費電力の半分が冷却の為のファンを回すモーターに依って費やされる電力だ｡ファンは電子がスイッチングする時やデータを記憶する時の熱を冷やす為に使われている､スイッチング動作の電力が少なければ､冷却ファンも不要になる｡データサーバーの消費電力が大きく下がる事になれば､発電所は要らなくなり､非常にコンパクトな電源で､今と同じデータ量を扱う事が出来る様になる｡
物性･材料研究機構では､国土強靭化に資する材料開発が行われている｡この開発テーマでは､社会インフラのモニタリングをどうするかだ｡例えば､古い橋梁や道路があるとすると､それがいつまで耐えられるのか､それを予測しなければならない｡その為に応力や腐食などの問題を検出するセンサを張り巡らせて､そこからデータを取る事が必要となる｡
現在､そこに使われている電源技術には､電池やマイクロ波無線給電などがあるが､消費電力が多くコストが下がらない｡センサからデータを集めてビッグデータにする為には､1個1個のセンサを小さくして消費電力を少なくする必要がある｡その為には､エネルギーハーベスティングを利用する手があるが､振動などで得られる電力は小さいので､格段に小さな電力で動くトランジスタが求められる｡省電力のトポロジカル絶縁体を使ったトランジスタが出来れば､無線で全国の橋梁のモニタリングデータを収集して､どの橋梁が､今危ないのかを検出して､災害を食い止めると云った応用にも使えそうだ｡省電力は､これからの大きな産業を生み出すベースとなる｡
更に､1nmの超小型のトランジスタが出来れば､半導体の｢ムーアの法則｣を超える新しい高集積回路が出来る可能性もある｡
加えて､トポロジカル絶縁体を使ったセンサが､将来的には実現出来ると思う｡磁性センサでは､遷移金属のd軌道の電子を利用する鉄やコバルトと云った磁性材料が昔から使われて来たが､トポロジカル絶縁体は､d軌道の電子を使わずに､p軌道の電子だけで磁性を生み出す｡なおかつ､p軌道の電子は電界に依っても制御出来るので､電界と磁界で､トポロジカル絶縁体の特性を制御出来るのは面白い｡そうすると､材料の選択の幅がずっと広がる｡
』
と､トポロジカル絶縁体を使った､スピンだけで動作する様なデバイスが出来れば､
現在の半導体チップよりも発熱量を減らして､省エネルギーで動作する事が可能になり､
トポロジカル絶縁体のトランジスタは､消費電力が､桁違いに下がるので､かなり応用が広がり､データサーバーの消費電力が大きく下がり､社会インフラのモニタリングでも､省電力のトポロジカル絶縁体を使えば､無線で全国の橋梁のモニタリングデータを収集して､どの橋梁が､今危ないのかを検出して､災害を食い止めると云った応用にも使える｡省電力に寄与するトポロジカル絶縁体デバイスの応用分野は広く､活躍の場は多いので､省エネやCO2削減にも大きく貢献出来る！
※ ◇◇◇
もう少し､判りやすい｢トポロジカル絶縁体｣の解説はないのか？と云う向きは､以下がお勧めだ｡研究者が高校生向けの講演会用に作成した解説原稿だ｡
→
https:/
｢注目の新材料｢トポロジカル絶縁体･超伝導体｣(第32回(平成26年度)大阪科学賞受賞記念講演レジュメ)(2014年)
更に､お勧めの解説動画は､
→
添付動画_｢公開シンポジウム｢トポロジカルデバイスの現在と未来｣9/10 スピントロニクス��｣(2023/11/14)
https:/
01:00 「超伝導」と「トポロジー」を融合したSnベース量子構造の創製とそのトポロジカルデバイス応用 Le Duc Anh 先生
17:22 トポロジカル磁性体が切り拓く次世代情報・エネルギー技術：超低消費電力メモリとフレキシブル熱電デバイス 中辻 知 先生
#トポロジカル科学の現在と未来
#トポロジカルデバイスの現在と未来
【１】国際賞を受賞した山下真由子京都大准教授が数学の証明を行った｢トポロジカル絶縁体｣とは？
当方は､ https:/
この報告の中で､山下真由子准教授の受賞理由･功績として､｢数理物理学､指数定理への貢献｣を挙げたが､この｢指数定理｣は｢解析学｣と｢幾何学｣と云う見掛け上異なった体系の間のつながりを与えていると云う意味で､20世紀の微分幾何学に於ける最も重要な定理とも云われる｡
山下真由子京都大准教授の貢献は､金属学の鋼(はがね)の焼入れ(結晶変態､相転移)や､21世紀の新規の省エネ電子デバイスである｢トポロジカル絶縁体｣デバイスや､｢量子力学｣の事象や､｢宇宙物理学｣の｢相転移｣事象である､｢物質の質量獲得｣や｢宇宙のインフレーション｣や､｢初期の急速な膨張(インフレーション)｣の｢真空相転移｣や､｢宇宙ひもや重力波の生成｣などの｢自発的対称性の破れ｣と云う､対称性の高い高温状態から､安定した秩序を持つ低温状態への｢相転移｣事象の数学的証明と幅広く､｢圧倒的に学術的プレゼンスが秀でている｣と絶賛された所以(ゆえん)となっている！
云うならば､日本出身の､女性版の｢21世紀のアインシュタイン｣の誕生とも評せられる､久々の明るい話題だ！
更に､大阪大学の深谷英則氏らの研究の｢APS指数定理と同じ結果を与える新しい定式化を見出す研究である､｢非局所的境界条件を必要とせず､ドメインウォールフェルミオンと呼ばれる､トポロジカル絶縁体の良い模型となる演算子を用いて､APSと同じ結果を与える物理量を定式化した｣研究に於いて､
｢指数定理の専門家である山下真由子氏らが加わり､物理､数学の分野をまたがる共同研究へと発展した結果､｢任意のAPS指数に対して､それと同じ結果を与えるドメインウォールフェルミオンの演算子が存在する｣事の数学的証明を与える事が出来た｡｣と､山下真由子准教授の貢献･寄与を報告している｡
この山下真由子准教授が数学的な証明を行った､｢トポロジカル絶縁体｣は､画期的な電子デバイス(素子)となる可能性が高く､言わば､｢21世紀版のトランジスター･IC素子｣だ！
この｢トポロジカル絶縁体｣デバイスが実用化されれば､消費電力は､1/100から1/1000くらいに桁違いに下がるので､かなり応用が広がり､データサーバーの消費電力が大きく下がる事になるので､非常にコンパクトな電源で､今と同じデータ量を扱う事が出来る様になり､社会インフラのモニタリングでも､省電力のトポロジカル絶縁体を使ったトランジスタが出来れば､無線でデータを集めて､全国の橋梁のモニタリングデータとして蓄積出来て､どの橋梁が､今危ないのかを検出して､震災で落下した橋などのデータを蓄積しておけば､GPSと連動して災害を食い止めると云った応用にも使える｡省電力に寄与するトポロジカル絶縁体デバイスが開く未来は､明るい！
ここで､｢トポロジカル絶縁体｣ダバイスの活躍の場は､以下の通りだ｡
『
トポロジカル絶縁体デバイスは､内部が絶縁体､表面が金属(伝導性)と云う特殊な性質を持つ物質を用いた次世代電子部品だ｡散乱されにくい｢ディラック電子｣に依り､超低消費電力､高速動作､量子コンピュータの量子ビット､高効率太陽電池への応用が期待されている｡
主な特徴と期待される応用:
�…秕暖馘杜�(スピントロニクス)：電子スピンの向きが運動方向に垂直に固定され､散乱しにくい｢トポロジカル表面状態｣を利用｡熱損失が非常に少ないスピントロニクス素子｡
�⇔婿劵灰鵐團紂璽�(量子ビット)：トポロジカル超伝導体状態を利用した､量子ノイズに強い｢マヨラナ準粒子｣に依る安定した量子ビットの実現｡
�９盡�率太陽電池･光デバイス：赤外線パルス照射で発生するディラック電子を用いた､超高速応答する機能性光デバイス｡
�ぜЮ�トポロジカル絶縁体：磁場に依り電気分極を制御する｢電気磁気効果｣や､室温での量子異常ホール効果などの新奇物理現象を利用したデバイス｡
�ズ猯然�発：テルルの1次元量子細線や超格子構造など､室温で動作する安定的な材料探索が進んでいる｡
今後､更なる高温度(室温以上)での安定した動作と､実用的な半導体デバイスとの統合が研究の焦点となっている｡
』
現在､日本のCPUやメモリや液晶や太陽光パネル等の電子デバイスは､中国､韓国の後塵を拝する様な体たらく状態であり､｢失われた30年！｣等と云われているが､｢トポロジカル絶縁体デバイス｣の開発･実用化で先陣を切れば､この｢失われた30年！｣を挽回し､日本の産業と生活を改革･一新する事が出来て､まさに､日本の明るい未来を拓く､礎(いしずえ)になる将来技術だ！
ここは､｢トポロジカル絶縁体デバイス｣の開発･実用化プロジェクトを最優先の国家プロジェクトにして､官民総力で取り組むべきだろう！
｢富士通｣と｢NEC｣と｢東芝｣を再興させて､世界に｢電子立国日本！｣を見せ付けるべきだ！
【２】｢トポロジカル絶縁体｣とは､何か？
ここで､｢トポロジカル絶縁体｣とは､何か？
｢トポロジカル絶縁体､未来材料の夢広がる｣
https:/
(TELESCOPE Magazine No.008)(2015/02/27)
に依れば､
『
この｢トポロジカル絶縁体｣と云う材料は21世紀に入って見つかった材料だ｡最初は理論的に予想されているだけだったが､その後､実験に依り確立された材料だ｡
無機物質には､導電体(金属)､半導体､絶縁体と､大きく分けて3つの種類があり､通常は室温(20〜30℃)でどれかに属する｡ところが､トポロジカル絶縁体は､表面は導電体なのに中は絶縁体と云う材料なのだ(添付図１)｡
現状の何かをトポロジカル絶縁体と置き換えると云う事だけではなく､例えば､電子スピンの時間反転対称性(時間の流れを逆にしても変わらないと云う対称性を持つ)と云う独特の特性を持っている事を積極的に活用する事も出来る｡スピンの時間反転対称性とは､或る保存則があり､それに依って､一定の条件でしかスピンが存在しない性質を指す｡この性質を活かし､スピンだけで動作する様なデバイスが出来れば､現在の半導体チップよりも発熱量を減らして､省エネルギーで動作する事が可能になる｡(添付図２)｡
【３】｢トポロジカル絶縁体｣デバイスが拓く未来とは？
トポロジカル絶縁体を使って､どの様なデバイスが出来るのだろうか？
例えば､現在のシリコンLSIに使われているMOSトランジスタは､ゲート(入力端子)に電圧を加えて出力の電流を制御する｢電界効果トランジスタ｣(添付図３)が､トポロジカル絶縁体のトランジスタは､ゲート電圧の代わりに､磁界を加えて電流を制御出来る｡つまり､｢磁界効果トランジスタ｣の様なものだ｡
デバイスの消費電力と云う観点では､今のMOSトランジスタでは､0.5Vとか0.3Vと低い電圧で動作するFET(トランジスタ)の開発が行われているが､トポロジカル絶縁体だとどのくらい消費電力は下がるのかと云うと､1/100から1/1000くらいに桁違いに下がるので､かなり応用が広がるだろう｡
物性･材料研究機構では､データサーバーの省電力化と云うプロジェクトを進めている｡実はグーグルとかアマゾンの様なサーバーは非常に大きな電力を消費していて､発電所がそばにあると云われている｡ただ､その消費電力の半分が冷却の為のファンを回すモーターに依って費やされる電力だ｡ファンは電子がスイッチングする時やデータを記憶する時の熱を冷やす為に使われている､スイッチング動作の電力が少なければ､冷却ファンも不要になる｡データサーバーの消費電力が大きく下がる事になれば､発電所は要らなくなり､非常にコンパクトな電源で､今と同じデータ量を扱う事が出来る様になる｡
物性･材料研究機構では､国土強靭化に資する材料開発が行われている｡この開発テーマでは､社会インフラのモニタリングをどうするかだ｡例えば､古い橋梁や道路があるとすると､それがいつまで耐えられるのか､それを予測しなければならない｡その為に応力や腐食などの問題を検出するセンサを張り巡らせて､そこからデータを取る事が必要となる｡
現在､そこに使われている電源技術には､電池やマイクロ波無線給電などがあるが､消費電力が多くコストが下がらない｡センサからデータを集めてビッグデータにする為には､1個1個のセンサを小さくして消費電力を少なくする必要がある｡その為には､エネルギーハーベスティングを利用する手があるが､振動などで得られる電力は小さいので､格段に小さな電力で動くトランジスタが求められる｡省電力のトポロジカル絶縁体を使ったトランジスタが出来れば､無線で全国の橋梁のモニタリングデータを収集して､どの橋梁が､今危ないのかを検出して､災害を食い止めると云った応用にも使えそうだ｡省電力は､これからの大きな産業を生み出すベースとなる｡
更に､1nmの超小型のトランジスタが出来れば､半導体の｢ムーアの法則｣を超える新しい高集積回路が出来る可能性もある｡
加えて､トポロジカル絶縁体を使ったセンサが､将来的には実現出来ると思う｡磁性センサでは､遷移金属のd軌道の電子を利用する鉄やコバルトと云った磁性材料が昔から使われて来たが､トポロジカル絶縁体は､d軌道の電子を使わずに､p軌道の電子だけで磁性を生み出す｡なおかつ､p軌道の電子は電界に依っても制御出来るので､電界と磁界で､トポロジカル絶縁体の特性を制御出来るのは面白い｡そうすると､材料の選択の幅がずっと広がる｡
』
と､トポロジカル絶縁体を使った､スピンだけで動作する様なデバイスが出来れば､
現在の半導体チップよりも発熱量を減らして､省エネルギーで動作する事が可能になり､
トポロジカル絶縁体のトランジスタは､消費電力が､桁違いに下がるので､かなり応用が広がり､データサーバーの消費電力が大きく下がり､社会インフラのモニタリングでも､省電力のトポロジカル絶縁体を使えば､無線で全国の橋梁のモニタリングデータを収集して､どの橋梁が､今危ないのかを検出して､災害を食い止めると云った応用にも使える｡省電力に寄与するトポロジカル絶縁体デバイスの応用分野は広く､活躍の場は多いので､省エネやCO2削減にも大きく貢献出来る！
※ ◇◇◇
もう少し､判りやすい｢トポロジカル絶縁体｣の解説はないのか？と云う向きは､以下がお勧めだ｡研究者が高校生向けの講演会用に作成した解説原稿だ｡
→
https:/
｢注目の新材料｢トポロジカル絶縁体･超伝導体｣(第32回(平成26年度)大阪科学賞受賞記念講演レジュメ)(2014年)
更に､お勧めの解説動画は､
→
添付動画_｢公開シンポジウム｢トポロジカルデバイスの現在と未来｣9/10 スピントロニクス��｣(2023/11/14)
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01:00 「超伝導」と「トポロジー」を融合したSnベース量子構造の創製とそのトポロジカルデバイス応用 Le Duc Anh 先生
17:22 トポロジカル磁性体が切り拓く次世代情報・エネルギー技術：超低消費電力メモリとフレキシブル熱電デバイス 中辻 知 先生
#トポロジカル科学の現在と未来
#トポロジカルデバイスの現在と未来
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