QSTと広島大学、デバイス材料中のスピンの計測時間をAI導入により大幅に短縮：注目ニュース✨

発表日：2024年9月23日

近年、スピントロニクス技術は、次世代の情報デバイス開発において最も注目されている分野の一つです。この革新的な技術は、従来のエレクトロニクスを超える超高速・超低消費電力のデバイスを実現する可能性を秘めています。

そんな中、量子科学技術研究開発機構（QST）と広島大学の共同研究チームが、スピントロニクスデバイス材料内部の電子スピン計測技術に大きなbreakthroughをもたらす研究成果を発表しました。

研究の背景

スピントロニクスは、電子の持つスピン（自転運動）の状態を利用して情報を処理・記憶する技術です。電子スピンについてはこちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

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この技術を用いることで、電源を切っても情報が消えない「不揮発性」や、従来のエレクトロニクスよりも高速なデータ処理が可能になります。

これらの特性は、超スマート社会（Society 5.0）の実現に不可欠な、省エネルギーで高性能な情報デバイスの開発に大きく貢献すると期待されています。

しかし、スピントロニクスデバイスの開発には、材料内部の電子スピンの状態を正確に計測する必要があります。これまで研究チームは、軟X線スピン・角度分解光電子分光法（SARPES）という最先端の計測技術を用いて、この課題に取り組んできました。

軟X線スピン・角度分解光電子分光法を用いて、｢磁気トンネル接合(MTJ)素子｣の内部に埋もれた界面のスピンを検出する模式図。MTJ素子中の界面に存在する電子に軟X線を照射すると、電子を外部へと取り出すことができる(光電効果の利用)。こうして取り出した電子の｢スピン｣の向きと動きを決定する。（引用元：https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/85432）

SARPESの課題

SARPESは非常に精密な計測が可能ですが、従来の方法では計測に長時間を要し、その間に試料が劣化してしまうという大きな問題がありました。

典型的な計測では1週間以上かかることもあり、この間に計測試料の質が低下したり、計測環境が変動したりするため、高精度の計測を行うことが実質的に不可能でした。

AI技術による革新

この課題を解決するため、研究チームは計測プロセスにAI技術を導入するというアプローチを採用しました。具体的には、ガウス過程回帰（GPR: Gaussian Process Regression）という機械学習法を活用しました。

GPRを用いることで、各計測プロセスでデータ（計測スペクトル）を取得するたびに、ノイズのないスペクトルを推定し、実際の計測スペクトルとの一致度（GPRスコア）を評価することが可能になりました。

これにより、従来は熟練の研究者の経験と勘に頼っていた「データの質の判断」を、初めて定量的に行うことができるようになりました。

研究成果

実証実験では、スピントロニクス材料として注目されているトポロジカル絶縁体を対象に計測を行いました。その結果、従来の方法では600回の計測プロセスの繰り返しが必要だったところを、わずか57回の繰り返しで同等の情報を抽出することに成功しました。これは、計測時間を従来の1/10以下に短縮できたことを意味します。

計測プロセスの積算回数とデータの確からしさの指標(GPRスコア)との関係。従来手法では、600回の計測プロセスを必要としていたが、今回、AI技術を活用することで、同等の情報がわずか57回の積算で得られることが分かった。（引用元：https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/85432）

具体的には、GPRスコアが0.95（95%の一致度）に達した時点で、スピン偏極度を従来と同等の精度で決定できることが明らかになりました。

この成果により、1日以内での高精度計測が可能となり、スピントロニクスデバイス開発の大幅な加速が期待されます。

スピン偏極度の計測スペクトルとGPRを用いた推定スペクトル、スピン偏極度の平均値、およびGPRスコア(計測スペクトルと推定スペクトルの一致度)と計測プロセスの繰り返し回数の関係。（引用元：https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/85432）

今後の展望

研究チームは、この革新的な技術を世界トップクラスの輝度を持つ次世代放射光施設NanoTerasuに導入する計画を立てています。これにより、世界初の実用的な「軟X線スピン・角度分解光電子分光法」の展開が可能になると期待されています。

NanoTerasuは、QSTが整備・運用する3GeV高輝度放射光施設です。この施設に本技術を導入することで、スピントロニクスデバイスの開発がさらに加速されるだけでなく、スピンの働きが重要な次世代量子マテリアルデバイス全般の研究開発においても、日本が世界をリードしていくことが期待されます。

研究の意義と将来性

この研究成果は、スピントロニクス分野に留まらず、広く材料科学や量子技術の発展に貢献する可能性を秘めています。例えば：

1. 高性能コンピューターの開発: スピントロニクスを活用した新しい演算素子により、現在のシリコンベースのコンピューターを超える性能が実現できる可能性があります。

2. 超低消費電力デバイス: スマートフォンやノートPCなどの携帯デバイスのバッテリー寿命を大幅に延ばすことができるかもしれません。

3. 量子コンピューターへの応用: スピンの制御技術は量子ビットの実現にも応用できる可能性があり、量子コンピューター開発にも貢献する可能性があります。

4. 医療機器への応用: 高感度な磁気センサーを利用した、新しい医療診断機器の開発にもつながる可能性があります。

まとめ

この研究成果は、スピントロニクス研究における大きな一歩前進といえます。AI技術を活用した新しい計測手法の開発により、これまで実現困難だった高精度かつ高速な電子スピン計測が可能になりました。

この技術革新は、次世代の超高速・省エネ情報デバイスの開発を大きく加速させ、私たちの生活を一変させる可能性を秘めています。

今後、この技術がNanoTerasuに導入され、さらなる研究開発が進むことで、日本が世界のスピントロニクス研究をリードしていくことが期待されます。

#スピントロニクス #AI #放射光 #電子スピン #NanoTerasu

専門用語解説:

1. スピントロニクス: 電子のスピン（自転運動）を利用した次世代エレクトロニクス技術

2. 軟X線: 波長が1～10 nmの比較的エネルギーの低いX線

3. SARPES（軟X線スピン・角度分解光電子分光法）: 軟X線を用いて材料内部の電子スピンを計測する技術

4. ガウス過程回帰（GPR）: 機械学習の一種で、データのノイズを除去し本質的な情報を抽出する手法

5. トポロジカル絶縁体: 内部は絶縁体だが表面は電気を通す特殊な物質

参考文献

【研究成果】デバイス材料中の電子スピンの計測時間をAI導入により大幅に短縮－放射光により次世代超高速・省エネ情報デバイス材料の開発に突破口－

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