2021 Fiscal Year Annual Research Report
Concerted research in physics of anomalous phenomena around metal-insulator transition and development of neuromorphic devices
| Project/Area Number |
18H03686
|
|---|
| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
|---|
Principal Investigator |
井上 公 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00356502)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 浩之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (00415762)
渋谷 圭介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00564949)
矢嶋 赳彬 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (10644346)
浅沼 周太郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30409635)
押川 正毅 東京大学, 物性研究所, 教授 (50262043)
白川 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 総括研究主幹 (60357241)
富岡 泰秀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (60357572)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | ニューロモルフィック / 強誘電金属 / 強誘電体 / 強誘電量子臨界点 / 超伝導 / リーク付き積分 / ニューラルネットワーク / 電界効果トランジスタ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
SrTiO3のSrをCaやBaで置換して強誘電体にした試料にTi/Nb置換でキャリアドープすると、SrTiO3関連の系では誰も観測したことのない0.75Kという高いTcを得ることができることを昨年度に発見しましたが、今年度はこの背景を探究し論文にまとめて投稿しました。キャリア濃度が小さくて誘電分極の遮蔽を十分に行えないと「強誘電体(空間反転対称性の破れた状態)の金属」になる可能性がありますが、X線による低温での精密な構造解析の実験をPFで行い、金属相でも確かに空間反転対称性が破れていることを明らかにしました。この系では電気抵抗が低温で上昇に転じるのですが、この異常が現れる温度(TK)をキャリア濃度に対してプロットすると、キャリア濃度をゼロにした極限で、TKが強誘電転移のキュリー温度に一致することがわかりました。TK以下の温度領域で反転対称性の破れた金属が出現するのだと仮定すると、TK=0となるキャリア濃度は広義の``量子臨界点''だと考えられます。我々はこの``量子臨界点''近傍で超伝導転移温度が最も増強されると考えていましたが、実はこの点の近傍での増強は小さく、むしろキャリア濃度が小さくなるほど増強が大きくなるという予想外のこともわかりました。このような興味深い物性を示すSrTiO3を用いた電界効果トランジスタ(FET)は、コンデンサなしでミリ秒以上の時定数を持つリーク付き積分動作をすることが昨年度までの研究でわかったので、今年度はこのSrTiO3 FET素子の動作を模倣する半導体集積回路をASICによって作製しました。大きな時定数を半導体回路で実現するというのは非常に困難でしたが、pseudo-resistorというアイデアを導入して克服できました。一方で、大きな電子回路をたったひとつの素子で実現できるというSrTiO3 FETのメリットを強調することにも繋がりました。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度も、千葉大の共同研究者に依頼していた「実際に空間反転対称性の破れた状態が出現しているのかを光学的第二高調波発生(SHG)で観測する」という実験は、コロナ禍の影響で実行できずに終わりました。大学は学生がいなくなったり入構できなくなったりして大きな影響を受けているのかもしれません。そこでKEKの放射光施設(PF)で低温でのX線構造解析を行い、必要最小限の結果を得ることがきました。低温の金属相でも強誘電体のように空間反転対称性が破れていることと、それが局所的ドメイン構造になっているのかそれとも系全体に十分に広がっているのかということを検証することはこの研究にとって非常に重要なので、今後の研究の展開につながるデータが得られたことは大きな進展でした。今後の展開は十分に検討する必要があります。産総研サイトに関しては今年度もコロナ禍の影響は最小限だったので、研究は前項で報告したように順調に進展し、強誘電超伝導の理解につながる新たな進展が得られており、研究の進展は概ね順調です。ニューロモルフィックの方は今年度はASIC回路の作製で進展がありましたが、FPGAを用いたエミュレーションも進行中で、こちらを用いたレザバー回路の作成なども行なっており、想定を超える進展が続いています。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、強誘電体にしたSrTiO3にキャリアドープすると、空間反転対称性の破れが残った金属状態が出現し、金属領域で強誘電秩序が消失すると考えられるドープ量を見積もることに成功しました。さらにこの``量子臨界点''で超伝導が増強されるわけではなく、キャリア濃度が小さく強誘電的な特性が強く残る領域ほどTcの増大が大きいことも実証しました。今後は、キャリア濃度を固定してBa濃度を変えた(強誘電性を変化させた)単結晶試料の作製をさらに進めて物性実験を行い、強誘電性とキャリア濃度の２次元面上に超伝導Tcの増大度を描く予定です。これによってこの系の物理の全体像の把握に近づきます。超伝導を増強しているのは量子揺らぎではないのかを検証できると期待しています。一方で、p型のSrTiO3の超伝導が存在するのかについて探索する研究も続けます。SrTiO3表面にFeを蒸着して酸化させるとp型の２次元金属が生じることが東大のグループから報告され、その試料を用いてp型のSrTiO3の超伝導の探索実験をすでに行いました。東大グループから条件を変えて作製した試料でも実験を行なって欲しいという要請があり、それまでは我々も結果を発表できない状態になっています。現在この研究は新たな試料の供給を待っている状態ですが、今後は、試料を得られ次第すぐに再実験を行い、成果発表に向けての精査を行う予定です。ニューロモルフィックの研究は、SrTiO3 FETのリーク積分型の動作を、FPGAでエミュレートし、小規模なニューラルネットワークの電子回路を作製する研究を進めています。この回路がレザバーとして動作することを実証し、さらにそのレザバーを用いて、筆跡認証などの異常検知が行えるということを、デモンストレーションしてみせます。この研究によって、我々の目指している機能性酸化物を用いた電子素子の有用性を実証します
|
