「一億分の１」の量子機械の創製

ナノ・原子スケール材料には、特異な磁性・強誘電性が現れ、機械・電気・磁気エネルギーを相互に変換できるマルチフェロイック機能が発現します。これを解き明かし、「一億分の１」の極小世界でも作動する機械「ナノ・量子機械」の創出を目指します。

格子欠陥で創る「一億分の１」の世界の機械

-極小の機能材料を目指して-

巨大な機械構造物とは対照的に、小さな機械であるナノマシン（例えば、患部に薬を届けるドラッグデリバリーや機器内部の破損箇所を修復するナノマシン）も夢の機械の一つでしょう。ナノマシンを作るには、究極的に小さく、かつ、物質内を自在に動き回って所望の仕事ができるような機構が不可欠です。

私たちは、き裂やボイド、原子空孔や転位など材料機能を劣化させたりする「悪役」として永く忌避されてきた欠陥にスポットライトをあて、これまでの常識にとらわれない新しい視点から欠陥を研究することで、欠陥が母材にはない強誘電性や磁性といった機能を持ち、物質中を自在に動き回って様々な有益な仕事をする「究極のナノマシン」へと創り変わることを発見しました。例えば、原子空孔は1-2 nm程度の局所的な磁性・強誘電性（マルチフェロイック）を発現し、外部電場や磁場によって機械駆動する「原子スケールのナノマシン」として働くことや、マルチフェロイックな機能を持った転位の集合組織がANDやNORといった「原子サイズの論理演算回路」として機能すること、結晶粒界が原子厚さのマルチフェロイック薄膜として記憶素子などに利用できることなど、いずれも常識からは不可能と思われてきたことを覆す発見をしています。

関連論文

• Takahiro Shimada, Jie Wang, Taku Ueda, Yoshitaka Uratani, Kou Arisue, Matous Mrovec, Christian Elsässer, Takayuki Kitamura
  Multiferroic grain boundaries in oxygen-deficient ferroelectric lead titanate
  Nano Letters, 15, 27 (2015)

• Takahiro Shimada, Jie Wang, Yoshimitsu Araki, Matous Mrovec, Christian Elsässer, Takayuki Kitamura
  Multiferroic vacancies at ferroelectric PbTiO₃ surfaces
  Physical Review Letters, 115, 107202 (2015)

• Tao Xu, Takahiro Shimada, Yoshimitsu Araki, Jie Wang, Takayuki Kitamura
  Multiferroic domain walls in ferroelectric PbTiO₃ with oxygen deficiency
  Nano Letters, 16, 454 (2016)

• Takahiro Shimada, Tao Xu, Yoshimitsu Araki, Jie Wang, Takayuki Kitamura
  Multiferroic dislocations in ferroelectric PbTiO₃
  Nano Letters, 17, 2674 (2017)

小さな世界の大きな物性

“There is plenty of room at the bottom”
- Prof. Richard P. Feynman

多くの材料物性は、物質の組成や組織によって一意に決まる「材料定数」と考えられてきました。ところが、ナノメートル・スケールの物質では、たとえ同一の組成であっても、マクロな世界で我々がよく知る物性とは全く異なるものとなります。例えば、カーボンナノチューブに代表されるようならせん状（Chiral）ナノチューブ構造では、同じくらせん状の特徴を持った磁気的・電気分極的物性が現れることを発見しています。

私たちは、こうしたナノレベルの小さな世界における「構造と機能の相関性」法則を解き明かし、マクロ材ではあり得なかった位相幾何学的秩序（トポロジカル）を有する強誘電体や磁性体の発見を通じて、新たなナノ材料物性の開拓と電子デバイスやマイクロ・ナノ機械の機能向上に貢献しています。

関連論文

• Takahiro Shimada, Xiaoyuan Wang, Yoshihiro Kondo, Takayuki Kitamura
  Absence of ferroelectric critical size in ultrathin PbTiO₃ nanotubes: A density-functional theory study
  Physical Review Letters, 108, 067601 (2012)

• Takahiro Shimada, Junichi Okuno, Takayuki Kitamura
  Chiral selectivity of unusual helimagnetic transition in iron nanotubes: Chirality makes quantum helimagnets
  Nano Letters, 13, 2792 (2013)

• Takahiro Shimada, Tao Xu, Yoshitaka Uratani, Jie Wang, Takayuki Kitamura
  Unusual multiferroic phase transitions in PbTiO₃ nanowires
  Nano Letters, 16, 6774 (2016)

• Tao Xu, Takahiro Shimada, Yoshitaka Uratani, Xiaoyuan Wang, Jie Wang, Takayuki Kitamura
  Multiferroic phases and transitions in ferroelectric lead titanate nanodots
  Scientific Reports, 7, 45373 (2017)