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Elemental study of spiking dymamics from organic/carbon nanotube junction and application for informatics

Research Project

Project/Area Number 18H01814
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
Research InstitutionHokkaido University (2019-2021)
Osaka University (2018)

Principal Investigator

赤井 恵  北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (50437373)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2018: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Keywordsカーボンナノチューブ / ポリ酸 / リザーバ計算 / ナノマテリアル / ダイナミクス / ニューロモルフィック / 分子デバイス / POM / 双安定 / コンダクタンススイッチング / 単分子 / ニューラルネットワーク / 揺らぎ / スパイク / CNT / インパルス / リザーバ
Outline of Annual Research Achievements

原子や分子といったナノの世界の揺らぎやダイナミクスを、信号検出や情報処理、複雑計算に活用することは、現代科学が今直面している大きく魅力的な課題である。本研究ではナノ材料、特に有機分子とナノカーボン材料の接合が含有する電子状態揺らぎや応答ダイナミクス現象の物理的機構を解明する。これらのダイナミクス応答は、自律的に最適制御や音声認識が出来るニューラルネット計算への応用が可能である。本研究期間内に、電荷の貯積と放出に起因したスパイクダイナミクスを発生する金属錯体分子ナノ接点構造を作りあげる。また基礎物性モデルと応用展開を包括した理論的解析を行ない、広い視野を持った学理の構築を目指す。
具体的にはナノ材料、特に金属錯体分子とナノカーボン材料の接合するシステムが含有する、酸化還元ダイナミクスに伴う電子応答に注目し、ナノ分子素子から発生する時系列応答信号を計測し、その発生メカニズムを明らかにする。さらなる目標として、高次情報変換計算に利用可能なリザーバネットワーク要素としての要請を満足する分子素子材料及び構造の探索を行う。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

一つ目の目的であった、ナノ分子素子から発生する時系列応答信号を計測し、その発生メカニズムを明らかにするという目的は一昨年度迄の実験によって、一分子の酸化還元応答による確立的なスイッチング現象が見られ、本来の目的を既に達成していると考えている。昨年度は二つ目の目的である高次情報変換計算に利用可能なリザーバネットワーク要素としての要請を満足する分子素子材料及び構造の探索を行なった。本来目的としていた分子の酸化還元のみならず、溶媒分子の電気化学反応にもこれらの情報計算に利用可能な応答を見いだした。しかしながらその性能は両者共に同程度であり、大幅な性能向上を示す物質探索には至っていない。

Strategy for Future Research Activity

引き続き分子の酸化還元応答に注目し、本年度は特に非線形応答特性と過渡応答の発現のメカニズムについて探求を進める。信号の過渡応答は分子の動的移動によってもたらされると期待され、結果として現代の情報処理、複雑計算への応用へと繋る可能性がある。本年度は研究の対象を一分子ではなく、CNTとのネットワークや、分子集合体におけるこれらの信号の発現を計測し、またイオン伝導性を示す溶液の電気化学反応にも注目し、広い視野での物質探索を進める。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(23 results)

All 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 6 results)

  • [Journal Article] Simple reservoir computing capitalizing on the nonlinear response of materials: theory and physical implementations2021

    • Author(s)
      S. Kan, K. Nakajima, Y. Takeshima, T. Asai, Y. Kuwahara, M. Akai-Kasaya
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 15 Pages: 024030-024030

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.15.024030

    • NAID

      120007036444

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 単層カーボンナノチューブとポリ酸によるニューロモルフィックランダムネットワークデバイス,2020

    • Author(s)
      田中 啓文, 赤井 恵, 浅井 哲也, 小川 琢治,
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌C

      Volume: J103-C Pages: 53-60

    • NAID

      120007033647

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 単層カーボンナノチューブとポリ酸による ニューロモルフィックランダムネットワークデバイス2020

    • Author(s)
      田中 啓文, 赤井 恵, 浅井 哲也, 小川 拓司
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌

      Volume: 01 Pages: 53-60

    • NAID

      120007033647

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spontaneous spike signal originated from redox-active molecules functionalised on carbon nanotubes2019

    • Author(s)
      Kian L. Goh, H. Fujii, A. Setiadi, Y. Kuwahara, M. Akai-Kasaya,
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59 Issue: SI Pages: SIIB18-SIIB18

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab1b69

    • NAID

      210000156614

    • ISSN
      0021-4922, 1347-4065
    • Related Report
      2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ナノ材料を用いた生体及び神経細胞機能模倣素子2019

    • Author(s)
      赤井恵
    • Journal Title

      表面と真空

      Volume: 印刷中

    • NAID

      130007662234

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A molecular neuromorphic network device consisting of single-walled carbon nanotubes complexed with polyoxometalate2018

    • Author(s)
      Tanaka Hirofumi、Akai-Kasaya Megumi、TermehYousefi Amin、Hong Liu、Fu Lingxiang、Tamukoh Hakaru、Tanaka Daisuke、Asai Tetsuya、Ogawa Takuji
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 9 Pages: 26932699-26932699

    • DOI

      10.1038/s41467-018-04886-2

    • NAID

      120006501642

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ナノ材料を用いた生体及び神経細胞機能模倣素子2020

    • Author(s)
      赤井 恵, 浅井 哲也
    • Organizer
      第30回日本神経回路学会 全国大会 (JNNS2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Study on nonlinear and dynamic response of electrical conductance through molecules2020

    • Author(s)
      Akai-Kasaya M.
    • Organizer
      Joint Symposium of JSPS-DST Bilateral Research on Charge- and Spin-Blockade in Ultrathin-Layers of Single Molecule Magnets
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] リザーバ機能発現を目指した大規模非線形ネットワークシミュレーターの構築2020

    • Author(s)
      五十嵐 健人, 浅井 哲也, 赤井 恵
    • Organizer
      電子情報通信学会複雑コミュニケーションサイエンス研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] リンモリブデン酸分子結晶から発生するスパイキング電流応答の観測とその機構解析2020

    • Author(s)
      新田 純弥, ゴー キアン リアン, 竹嶌 勇樹, 桑原 裕司, 浅井 哲也, Schmid A. 新ヶ谷 義隆, 中山 知信, 赤井 恵
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Spontaneous bistable redox switching in single molecular circuits,2019

    • Author(s)
      ゴー キアン リアン, Perice Denis, 桑原 裕司, 浅井 哲也, 赤井 恵
    • Organizer
      第10回分子アーキテクトニクス研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Spontaneous bistable redox switching in single molecular circuits2019

    • Author(s)
      ゴー キアン リアン, Perice Denis, 桑原 裕司, 浅井 哲也, 赤井 恵
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Towards Physical Neural Network System Consisting of Nanomaterials2019

    • Author(s)
      M. Akai-Kasaya
    • Organizer
      The 31st Phase Change Oriented Science (POCS),
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Towards Physical Biomimetic and Neuromorphic Device Consisting of Nano-materials2019

    • Author(s)
      M. Akai-Kasaya
    • Organizer
      International Conference and Expo on Nanotechnology & Nanomaterial’s,
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] An elaborate response in molecular random network -Approach for information processing functionality-2019

    • Author(s)
      M. Akai-Kasaya
    • Organizer
      The 7th International Conference on DV-Xα Methods (ICDM)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Investigation of State Dynamics of Phosphomolybdic Acid Molecules Functionalised on Carbon Nanotubes2018

    • Author(s)
      K. L. Goh, Y. Kuwahara, M. Akai-Kasaya
    • Organizer
      ACSIN-14 & ICSPM26
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Study of Spiking and Noise Generation from a System Consisting of Single-Walled Carbon Nanotubes complexed with Polyoxometalate2018

    • Author(s)
      T. Asai and M. Akai-Kasaya
    • Organizer
      ACSIN-14 & ICSPM26
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Use of Room-Temperature Molecular Noise improves Signal Detection in Single Walled Carbon Nanotube Device2018

    • Author(s)
      M. Akai-Kasaya
    • Organizer
      International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NORTA)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Stochastic Conductance Switching of Single Polyoxometalate Molecule at a Junction in Carbon Nanotube Device2018

    • Author(s)
      M. Akai-Kasaya
    • Organizer
      ElecMol’18
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナノ材料を用いた神経細胞模倣システムの構築2018

    • Author(s)
      赤井恵
    • Organizer
      2018 年日本表面真空学会学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 学習するマテリアル -ニューラルネットワーク構築2018

    • Author(s)
      赤井恵
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] カーボンナノチューブに接続されたリンモリブデン酸単分子の状態ダイナミクス2018

    • Author(s)
      Kian Lian Goh 橋本優奈 桑原裕司 赤井恵
    • Organizer
      2018 年日本表面真空学会学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] カーボンナノチューブ/ポリ酸分子ネットワークを用いたリザーバコンピューティング2018

    • Author(s)
      竹嶌 勇樹,Goh Kian Lian, 岡田将, 桑原裕司, 浅井哲也, 赤井恵
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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