北陸先端科学技術大学院大学
マテリアルサイエンス

　文部科学省が推進する「AI for Science萌芽的挑戦研究創出事業（SPReAD）」において、本学から応募した研究課題が採択されました。
　本事業は、あらゆる分野の研究者等がAIを利活用して科学研究の高度化・加速化を図ることができるよう、計算資源の確保等の研究環境を整備するとともに、伴走支援を通じてAI利活用の裾野を広げ、萌芽的・探索的な研究を機動的に支援することにより、AI for Scienceの波及・振興を促進し、我が国独自の競争優位につながる新たな研究の種や芽を創出することを目的としています。
　また、本事業では、挑戦的・分野横断的な研究や不確実性の高い研究の可能性を幅広く見いだすため、従来型のピアレビューに加え、無作為抽出やAIを活用したインタビュー等を組み合わせた、機動的かつ挑戦的な審査・採択手法が導入されています。こうした新たな研究評価・資金配分の仕組みそのものについても、今後の研究評価システム改革につながる先駆的な取組として注目されています。
　このたび第2回の採択結果が公表され、本学から教員2名及び学生2名の計4名が採択されました。これにより、第1回公募での採択者2名と合わせ、本学からの採択者は計6名（教員3名、学生3名）となります。

　採択された研究代表者および研究課題は以下のとおりです。

■第2回　採択課題

■第1回　採択課題

　本学からは、第1回に109件、第2回に96件、延べ205件の応募がありました。研究代表者の重複を除くと、2回の公募を通じて141名の教員・学生等が本事業に応募しており、このうち64名が両回にわたって挑戦しました。大学の規模を考慮しても、多くの研究者・学生がAI for Scienceを自らの研究に取り入れ、新たな研究の可能性を追究しようとしていることを示すものです。
　特に、採択者6名のうち3名が学生であることは、本学において学生自身が研究構想を発案し、研究代表者として主体的に研究に挑戦する活動が活発であることを象徴しています。本事業には採択者だけでなく多くの学生から応募があり、本学が重視してきた、自ら研究課題を設定し、分野を越えて新たな知を創出する大学院教育の成果の一つともいえます。
　今回採択された研究課題は、LLM・AIエージェント・知識・言語・人間AI協働をはじめ、材料・計測へのAI応用、実世界AI・モビリティなど、本学の情報科学、知識科学、マテリアルサイエンスを基盤とする多様な研究領域に広がっています。AIそのものの高度化にとどまらず、AIを活用してさまざまな科学研究や研究プロセスそのものを変革していく取組であり、本学が推進する分野融合型研究及びAIを活用した研究力強化の方向性とも合致するものです。
　本学では、今回の採択を契機として、採択課題の研究を着実に推進するとともに、学内に蓄積されたAI利活用の知見や経験を共有し、情報科学・知識科学・マテリアルサイエンスをはじめとする多様な分野にAI for Scienceをさらに展開していきます。また、教員のみならず学生を含む幅広い研究者が、新たな発想に基づく萌芽的・挑戦的な研究に取り組む環境を一層充実させ、本学ならではの研究成果の創出につなげていきます。

■関連リンク
文部科学省「AI for Science 萌芽的挑戦研究創出事業（SPReAD）」 
https://www.mext.go.jp/aifors_spread/

令和8年8月24日

日 時	令和8年9月2日（水）13:30～15:10
場 所	知識科学講義棟2階　中講義室
講演題目	フレキシブル・プリンテッドエレクトロニクスの新展開 ― サステナブルエレクトロニクスへの転換 ―
講演者	山形大学　有機エレクトロニクスイノベーションセンター 卓越研究教授　時任 静士 氏
言 語	日本語
お問合せ先	北陸先端科学技術大学院大学　ナノマテリアル・デバイス研究領域 教授　村田 英幸（E-mail：murata-hjaist.ac.jp）

● 参加申込・予約は不要です。直接会場にお越しください。

　科学技術振興機構（JST）が運営する総合Webサイト「Science Portal（サイエンスポータル）」に、ナノマテリアル・デバイス研究領域の大島 義文教授らの研究成果「ユネスコ無形文化遺産「金沢金箔」の薄さと輝きを生む謎を解明」に関する記事が掲載されました。

　掲載記事「北国の金箔と南国の芭蕉布、職人の手作業を最先端科学が解明 伝統工芸の継承にお役立ち」では、金沢金箔の薄さと輝きを生むメカニズムを、結晶構造に関する科学的分析を通じて解明した研究内容が紹介されています。また、職人の高齢化が進む中で、伝統工芸の次世代への継承に科学的知見が寄与する可能性についても触れられています。

【掲載記事】 Science Portal（サイエンスポータル）
https://scienceportal.jst.go.jp/gateway/clip/20260120_g01/

関連プレスリリース：
https://www.jaist.ac.jp/whatsnew/press/2025/10/07-1.html

令和8年1月22日

北陸先端科学技術大学院大学 東京科学大学

リチウムイオン電池の劣化原因をナノスケールで可視化
― 新手法「ケプストラム照合解析」で電池現象の解明に貢献 ―

【ポイント】

• リチウムイオン電池の劣化につながる正極の結晶構造変化をナノメートルスケールで可視化
• 新開発の「ケプストラム照合解析」により、高空間分解能・広視野・低損傷を同時に実現
• 電池劣化の原因となる界面での構造変化を解明し、高性能電池開発への貢献に期待

【研究概要】

　スマートフォンや電気自動車にはリチウムイオン電池（LIB）が欠かせません。その正極として広く用いられている材料が、層状の結晶構造（原子の並び方）を有するリチウム遷移金属酸化物（以下、層状正極）です。LIBの長時間稼働を実現するには、より高電圧で動かすことが重要となります。一方、高電圧で充放電を繰り返すと、液体電解質と接する界面において、層状正極がスピネル構造や岩塩構造^*2に変化して、LIBの劣化を引き起こします。界面を起点として数nm のスケールで進行する構造変化を理解するために、解析が求められてきました。

　従来の光やX線を使った観察では、空間分解能が数十〜数百nmに限られます。電子顕微鏡なら原子スケールで観察できますが、観察視野が約50×50 nm²に制限される課題と、多量の電子照射によって観察中に試料が損傷する課題がありました。つまり、「ナノ空間分解能」「広視野」「低試料損傷」の三つを両立して、層状正極の構造を解析できる手法がありませんでした。

　本研究グループでは、層状正極の代表例であるコバルト酸リチウム（LiCoO₂）の構造（図1a）を調べるために、先進的な電子顕微鏡手法の一つである走査ナノビーム電子回折^*3に注目しました （図1b）。これは、直径約1 nmの電子線をスキャンさせながら試料に照射し、結晶構造を反映する電子回折図形を得て、高速カメラに記録する手法です。高電圧で100サイクル充放電させたエピタキシャルLiCoO₂について、あるスキャン位置での回折図形（図1c）と、結晶構造モデルから計算した回折図形（図1d）とで差異が認められます。電子回折図形には、結晶構造の情報に加えて、試料の厚さや僅かな傾きに依存するスポットの強度変化が含まれるため、比較が困難です。

　そこで、音声信号処理で用いられるケプストラム解析^*4に着目しました。ケプストラムは、回折図形の強度を対数変換してフーリエ変換し、その振幅を得ることで求められます。実験と計算のケプストラム（図1e、f）では、試料の厚さや傾きを反映する成分は中心スポットに、結晶構造の周期性を反映する成分は周囲のスポットにそれぞれ分離されます。構造由来のスポットは実験と計算でよく一致するため、この領域が層状構造だと分かります。この一致度は、相互相関関数（2つの画像が似ているほど高い値を示す関数）を用いることで、数値として評価できます。層状構造に加えて、スピネルや岩塩構造についても同様の解析を行い、試料各位置での構造を調べました。独自に開発した一連の解析を「ケプストラム照合解析」と名付けました。

　結晶構造の合成マップ（図1g）では、LiCoO₂正極の大部分はもとの層状構造を保持していましたが、電解質との界面から正極側へ約3 nmにかけてスピネル・岩塩構造が観察されました。本手法は、約1 nmの高空間分解能と、正極の内部と界面の両方をカバーする約300×100 nm²の広視野を同時に達成しました。さらに、原子分解能電子顕微鏡など電子線を多用する他の手法と比べ、本手法の照射量は2ケタ以上低いことが分かりました。観察中の試料損傷を低減でき、従来手法よりも信頼性の高い結果が得られます。

　界面での構造変化に対して、LiCoO₂正極を別の物質でコーティングして保護する対策や、異なる元素をわずかに添加する対策が提案されています。さらに、次世代デバイスとして注目を集めている全固体LIBでも、ナノスケールの構造変化が生じると報告されています。今後、本手法を活用することで、劣化メカニズムの詳細な解明や、コーティングや添加などの効果の検証を計画しています。本成果は、LIBの現象解明を目指す学術研究や、高性能LIB開発に広く貢献すると期待されます。

【研究資金】

　本研究の一部は、日本学術振興会（JSPS） 科研費（JP22K14473、JP25K18108、JP24H00042）、科学技術振興機構（JST） 革新的GX技術創出事業（GteX）プログラム（JPMJGX23S5、JPMJGX23S6）、同 戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発（ALCA）、物質・材料研究機構（NIMS） 連携拠点推進制度、三谷研究開発財団、澁谷学術文化スポーツ財団、池谷科学技術振興財団、中部電気利用基礎研究振興財団、旭硝子財団、北陸先端科学技術大学院大学 研究拠点形成支援事業の支援を受けて実施されました。本研究の一部は、NIMS蓄電池基盤プラットフォーム、マテリアル先端リサーチインフラ（JPMXP1222JI0007、JPMXP1223JI0012、JPMXP1224JI0005）にて実施されました。

【論文情報】

【用語説明】

令和7年10月28日

　9月29日（月）、本学小ホールにおいて、金沢大学・北陸先端科学技術大学院大学 第5回共同シンポジウムを開催しました。

　金沢大学と本学は、平成30年度より融合科学共同専攻における分野融合型研究を推進してきましたが、令和5年度からは、融合科学共同専攻の活動にとどまらず、両大学間の共同研究の発展と促進を目的に共同シンポジウムを開催しており、今回で第5回目の開催となります。

　「量子科学」をテーマに開催した今回は、寺野 稔学長による開会挨拶後、金沢大学 ナノマテリアル研究所　石井 史之 教授、本学 次世代デジタル社会基盤研究領域　リム 勇仁 教授、金沢大学 理工研究域電子情報通信学系　李 睿棟 准教授、本学 ナノマテリアル・デバイス研究領域　安 東秀 准教授にそれぞれ量子科学に関する先進的な研究開発についてご講演いただき、金沢大学 和田 隆志学長の挨拶をもって閉会となりました。
　また今回は、両大学の教員や学生等による量子科学に関する研究内容のポスター展示も行われ、参加者にとって多くの研究者の最新研究に触れる機会となりました。

　近年、量子の特性を積極的に活用する量子技術が急速に発展しており、量子コンピュータや量子計測・センシング等の分野での応用が期待されていることから、量子科学は大変注目度が高い研究分野となっています。そのため、今回の本シンポジウムには、両大学から多くの方が参加され、講演者への質疑や研究者間の情報交換も大変活発なものとなりました。

　本シンポジウムをきっかけに今まで多くの研究連携が両大学間で生じております。本シンポジウムが両大学間のさらなる研究連携発展の端緒となるよう、今後も推進していきます。

開会の挨拶をする寺野学長

講演①「『保護された量子』を探る ～計算科学が拓く新物質デザイン～」
石井 史之 教授（金沢大学 ナノマテリアル研究所）

講演②「The Past, Present, and Future of the Quantum Internet」
リム 勇仁 教授（本学 次世代デジタル社会基盤研究領域）

講演③「信頼性の高い分散型量子メタバースの実現に向けて」
李 睿棟 准教授（金沢大学 理工研究域電子情報通信学系）

講演④「ダイヤモンドNV中心を用いた、量子センシング、量子通信、量子コンピュータへの応用」
安 東秀 准教授（本学 ナノマテリアル・デバイス研究領域）

閉会の挨拶をする金沢大学 和田学長

研究者間の歓談時間の様子

令和7年10月8日

北陸先端科学技術大学院大学 大阪大学

ユネスコ無形文化遺産「金沢金箔」の薄さと輝きを生む謎を解明
―伝統工芸と材料科学が出会う、新たな発見―

【ポイント】

• 金沢金箔は、打ち延ばす工程によって箔全体を立方晶{001}集合組織（結晶粒の結晶方位が特定の方位に集中している状態）に配向させていることを解明。
• 金箔の上下に和紙を挟んで叩くことで温度上昇を防ぎ、再結晶化や回復を阻止。
• 通常は働かない{110}すべり系（原子の層がずれて動く仕組み）が特別に活性化し、箔全体の均一な薄さと輝きを実現。

【研究概要】

　金沢金箔（図1(a)）は、寺社仏閣や伝統工芸品を飾るだけでなく、文化財の修復に不可欠な素材です。その特徴は「世界で最も薄い金属箔」（わずか100ナノメートル＝髪の毛の約1/1000）という極薄性と、変わらない光沢にあります。この魅力から、ユネスコ無形文化遺産に登録されました。これまでの研究では、金沢金箔が安定した{001}集合組織を形成することは知られていましたが、その過程は不明でした。通常の金属では、箔打ちにより{110}集合組織が発達しますが、同時に再結晶や回復が起き、面内の結晶方位はランダムになると考えられていました。したがって、なぜ金沢金箔が均一で安定した{001}集合組織を示すのかは長年の謎でした。この謎を解き明かすことは、伝統工芸の継承と材料科学の進展の双方にとって重要な課題です。本研究では、最先端の技術である、電子後方散乱回折（EBSD）^*1と世界最高加速電圧の超高電圧透過電子顕微鏡（UHVEM）^*2 (加速電圧 2MV)を用いて、無加工で系統的に金沢金箔の分析を行いました。その結果、従来の金属学では予想されなかった「非八面体すべり系」という特殊な変形が室温の槌打ち工程で活性化し、金箔の結晶配向を整えることを明らかにしました。

　本研究では、製造の中間段階にあたる「金澄（約1 μm）」と最終段階の「金箔（約100 nm）」を対象とし、電子後方散乱回折（EBSD）^*1および超高電圧透過電子顕微鏡（UHVEM）^*2を用いて局所的な結晶性の調査を行いました。その結果、金澄は、面内の結晶方位はランダムな{110}集合組織となっていましたが、転位密度が高く、再結晶が起きていないことがわかりました。一方、最終段階の金箔は、面内の結晶配向も高い{001}集合組織となっていました（図1(b)）。ただし、転位密度は著しく増加しており、回復や再結晶が生じていないことを示唆していました。加えて、{110}面に平行な多数のすべり帯があり、その多くが直交していることを観察しました（図1(c)）。この事実は、非八面体的な{110}-<110>すべり系が活性化していることを示唆しています。通常の面心立方晶（FCC）金属では、このような非八面体のすべり系が動くことはなく、金箔が特殊な変形状態にあることがわかりました。

　以上の結果から考察を行い、金沢金箔は従来のFCC金属とは異なる変形メカニズムによって特異な集合組織を形成することが分かりました。具体的には、熱間圧延や焼鈍処理を施した金属材料と異なり、金沢金箔は再結晶や回復を伴わずに加工が進行しています。そのため、箔打ち過程において転位が絡み合うため、通常活性化する{111}-<110>すべり系が抑制されます。また、膜厚が転位ループのサイズに近い200 nm程度になると、転位ループの一部が表面を突き抜けるため、薄膜全体を貫通するらせん転位が多数残存します。これらのらせん転位は動きやすいため、交差すべりが生じやすくなります。この交差すべりが進化した結果、非八面体的な{110}-<110>すべり系が活性化します。この{110}-<110>すべり系は、箔打ち方向に対し、結晶方位を[110]から[001]へ徐々に回転させることができます。なお、加工時に金箔の上下に和紙を挟んで叩くことで、表面摩擦を低減するとともに温度上昇を防いでいました。つまり、この温度制御によって再結晶や回復が抑制され、上述したような特殊な変形が実現したと説明できます。

　本研究の成果は、金沢金箔という無形文化遺産の科学的理解を深め、伝統技術の保存・継承に確かな裏付けを与えるものです。これにより、文化財修復における信頼性の向上や、安定供給に向けた技術支援が可能になります。さらに、極薄金属膜における特殊な変形メカニズムの知見は、構造敏感な次世代のナノ材料や高機能薄膜デバイスの開発にも応用が期待されます。具体的には、電子材料、センサー、装飾材など、従来にない性能やデザイン性を備えた新しい製品の創出につながる可能性があります。

【論文情報】

【用語説明】

令和7年10月7日

　国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の「戦略的創造研究推進事業（CREST・ACT-X）」において、本学の研究提案からCREST１件、ACT-X１件が採択されました。
　採択者および採択課題は以下のとおりです。

【CREST】
研究代表者：ナノマテリアル・デバイス研究領域　ホ アン ヴァン教授
研究課題名：Cross-X: AI 駆動型の触覚・近接センシングおよび適応的コンポーネントによる、多様な形態に対応した身体知能の実現
研究領域：実環境知能システムを実現する基礎理論と基盤技術の創出
研究概要：
本研究は、全身にわたるマルチモーダルセンシングを、適応的形態、事前学習知識、継続学習と統合し、迅速かつ頑健に応答できる物理知能モジュールを構築することを目的とする。さらに、各モジュールにおける局所的なセンシング・駆動から、ロボット全体における統合的な機能発現へと至る「身体知能」の科学的基盤を確立し、次世代ロボティクスの新しいパラダイムを切り拓くことが期待される。

【ACT-X】
研究代表者：コンピューティング科学研究領域　鎌田 斗南助教
研究課題名：連続と離散を横断する計算基盤の確立と実問題への接続
研究領域：次世代 AI を築く数理・情報科学の革新
研究概要：
近年の計算機科学の発展により、実社会の多様な課題を計算機で扱うことが可能となった。しかし、社会課題の多くは本来的に連続的であり、計算機が扱う離散的な近似との間には根本的な差異がある。そのため、問題の困難性と容易性の境界を理解するためには、連続性を計算機上で扱う新たな枠組みが必要である。本研究では、実社会の問題を実数変数の決定問題としてモデル化し、その計算量解析を通じて、体系的な数理基盤を確立する。

CREST：
　CRESTは、我が国が直面する重要な課題の克服に向けて、独創的で国際的に高い水準の目的基礎研究を推進し、社会・経済の変革をもたらす科学技術イノベーションに大きく寄与する、新たな科学知識に基づく創造的で卓越した革新的技術のシーズ（新技術シーズ）を創出することを目的とするネットワーク型（チーム型）研究です。
　「実環境知能システムを実現する基礎理論と基盤技術の創出」領域では、実環境・物理空間における多様かつ予測困難な状況変化に対して柔軟かつ安全に対応できる知能システム（Physical AI）の構築に向けた基礎学理と基盤技術の創出を目指します。AI とロボティクスやIoT との連携により AI に身体性を付与するなど、知能、機械、数理、制御、計算、通信、神経科学等の学術分野の融合による高度な知能システム構築に資する研究開発を推進します。
　▶ 戦略的創造研究推進事業（CREST）

ACT-X：
　ACT-Xは、我が国が直面する重要な課題の克服に向けて、優れた若手研究者を発掘し育成することを目的としたネットワーク型（個人型）研究です。
　「次世代AIを築く数理・情報科学の革新」領域では、既存のAI技術の限界・困難を克服するため、AI 技術・情報科学および数学・数理科学、その他様々な研究分野の融合・応用による AI技術の高度化や適用範囲の拡大などの、挑戦的な研究課題に取り組む若手研究者を支援することで、新しい価値の創造につながる研究開発を推進します。
　▶ 戦略的創造研究推進事業（ACT-X）

令和7年9月29日

　9月11日（木）、9月12日（金）の2日間、本学にて、「ナノ物性の可視化と理解：AIと拓くマテリアル解析の新展開」シンポジウムを開催しました。文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ（ARIM）事業の一環として開催された本シンポジウムには、オンラインと現地合わせて150名を超える参加者が集まり、活発な議論と情報交換が行われました。
　今回のシンポジウムでは、電子顕微鏡（TEM）像や分光データを活用したAIによるマテリアル解析の新たな展開をテーマに、最前線で活躍する研究者が講演を行いました。ARIM事業では、TEM画像や分光データの収集・蓄積を進めており、今後のデータ公開・共用に向けた準備が進んでいます。

【プログラム概要】
1日目（9月11日）
　初日は、本学先端科学技術研究科副研究科長・大島義文教授の挨拶に続き、以下の招待講演が行われました。
①武藤俊介 教授（名古屋大学）
　TEM応用における計測インフォマティクスのビジョンと課題について講演
②志賀元紀 教授（東北大学）
　微細構造計測データに対する機械学習の応用について紹介
③溝口照康 教授（東京大学）
　生成AIを活用した計測データからの情報抽出と物質設計について講演
④木本浩司 センター長（物質・材料研究機構（NIMS））
　4D-STEMと教師なし機械学習によるナノ領域構造解析について発表

2日目（9月12日）
⑤ダム ヒョウ チ 教授（本学共創インテリジェンス研究領域）
　Data-Driven AIによる材料動態の可視化について講演
⑥井原史朗 助教（九州大学）
　情報科学を援用したナノスケール幾何学情報の抽出と3次元可視化について紹介
⑦麻生浩平 講師（本学ナノマテリアル・デバイス研究領域）
　画像処理を活用した電子顕微鏡画像からのナノ材料情報の抽出について発表

　閉会にあたり、本学ナノマテリアル・デバイス研究領域　高村由起子教授（ARIM業務責任者）が総括と今後の展望を述べ、盛況のうちに終了しました。

　終了後、参加者からは、「生成AIの知見が研究に活用できそうだと感じた」、「結晶粒界の可視化が非常に興味深かった」、「実験家の視点に近い取り組みが印象的だった」などの感想が寄せられました。
　今回のシンポジウムは、TEMデータを活用したデータ駆動型研究の可能性を広く共有する貴重な機会となりました。本学は今後もARIM事業を通じて、マテリアル解析の新展開を支援していきます。

開会の挨拶をする
大島義文教授

①武藤俊介教授
（名古屋大学）

②志賀元紀教授
（東北大学）

③溝口照康教授
（東京大学）

④木本浩司センター長
（NIMS）

⑤ダムヒョウチ教授
（本学）

⑥井原史朗助教
（九州大学）

⑦麻生浩平講師
（本学）

閉会の挨拶をする
高村由起子教授

令和7年9月29日

国立大学法人筑波大学 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 慶應義塾大学

特殊なダイヤモンドの針を開発し
超高速で変化する電場の局所計測に成功

　NV中心と呼ばれる格子欠陥を導入したダイヤモンドを原子スケールの空間分解能を持つ原子間力顕微鏡（AFM）の探針（プローブ）に用い、二次元層状物質の表面近傍の電場をフェムト秒（1000兆分の１秒）・ナノメートル（10億分の１メートル）の時空間分解能で計測することに成功しました。

【研究代表者】

筑波大学数理物質系
　長谷 宗明　教授
北陸先端科学技術大学院大学ナノマテリアル・デバイス研究領域
　安 東秀　准教授
慶應義塾大学理工学部
　ポール フォンス　講師（研究当時、同大学同学部電気情報工学科教授）

【研究の背景】

　ダイヤモンド中の不純物には窒素やホウ素などさまざまな種類があります。その中でも、点欠陥に電子や正孔が捕捉され、発光を伴う種類のものはダイヤモンドを着色させるため、「色中心：カラーセンター」と呼ばれます。色中心には周辺環境の温度や磁場の変化を極めて敏感に検知して量子状態が変わる特性があり、温度や電場を読み取る量子センサー^注１）として用いられています。
　量子センサーの中でも、ダイヤモンドに導入した窒素―空孔（NV）中心^注２）と呼ばれる複合欠陥を用いたセンサーは、まだまだ発展途上の技術ですが、高空間分解能・高感度が要求される細胞内計測やデバイス評価装置のセンサーへの応用など、新しい可能性が期待されています。
　本研究チームは、フェムト秒（1000兆分の1秒）の時間だけ近赤外域の波長で瞬くフェムト秒超短パルスレーザー^注３）を用い、NV中心を導入したダイヤモンドの電気光学（EO）効果^注４）を実時間分解計測することで、ダイヤモンドの格子振動ダイナミックスを動的に高感度に検出することに成功しています^{参考文献 a)}。このことは、ダイヤモンドが超高速応答するEO結晶になり、電場検出の探針（プローブ）となり得ることを示すものです。
　これまでもダイヤモンドを原子間力顕微鏡（AFM）^注５）と組み合わせた電場センシングの試みはなされていましたが、局所ダイナミックスを動的に評価できる手法はほとんどありませんでした。特に時間分解能に関しては、発光測定に基づく従来の手法ではナノ秒程度が限界であり、ピコ秒以下の超高速時間分解能に関しては、全く開拓されていませんでした。

【研究内容と成果】

　本研究では、量子光学（フェムト秒超短パルスレーザーを用いたダイヤモンドのEO効果）と走査プローブ顕微鏡（SPM）の一種である原子間力顕微鏡（AFM）技術を融合することで、光の回折限界を超える空間分解能に加えて、今までの検出限界を超える超高速時間分解能で局所的な電場計測を実現することを目指しました（図１）。
　極めて不純物が少ない高品質のダイヤモンド結晶の表面近傍（深さ40nm）に、密度を制御したNV中心を導入し、そのダイヤモンド結晶をレーザーカットおよび集束イオンビーム（FIB）技術^注６）を駆使することで、先端径が500 nm以下のダイヤモンドNVプローブに加工することに成功しました。このダイヤモンドNVプローブを、フェムト秒超短レーザーを組み込むことが可能な、ピエゾ抵抗効果^注７）に基づく自己センシング方式^注８）のAFMのカンチレバーに取り付けました（図２）。
　このシステムを用いて、まずガリウムヒ素（GaAs）半導体基板の表面電場を調べました。フェムト秒超短パルスレーザーの出力光をビームスプリッタで約10対１に分岐し、強い方を励起のためのポンプ光、弱い方を探索のためのプローブ光とします。電子が電流を運ぶn型GaAs試料は高強度のポンプ光で励起され、プローブ光はダイヤモンドNVプローブに入射されます（図３a）。まず、ダイヤモンドNVプローブの有無による時間分解EO信号の検出感度を確認するため、ダイヤモンドNVプローブを用いないマクロ計測により時間分解EO信号を計測したところ、励起直後（Time delay=時間遅延0 ps）に立ち上がり、数ps（ps＝１兆分の１秒）以内に緩和しポンプ光を当てる前に戻る信号が得られました（図３b）。またNVセンターを導入したダイヤモンドNVプローブを通じて、n型GaAsの表面電場を検出することに成功しました（図３c）。ダイヤモンドNVプローブの導入によりEO信号の大きさは約1/42に減少しましたが、局所計測に成功したと言えます。
　さらに二次元層状物質^注９）であるセレン化タングステン（WSe₂）単結晶をシリコン基板上に転写した試料を用いて実験を行いました。このWSe₂試料では、場所によって結晶の厚さが異なっていますが、光学顕微鏡で銀白色のバルク（Bulk）結晶（厚さが10原子層以上の結晶）を見つけ、このバルク結晶と接する紫色の単層（1 ML）部分との界面に着目しました（図４a）。この厚さの異なる界面を用いて、局所的な表面電場の計測を行ったところ、単層部分とバルク部分のキャリア特性を反映した表面電場信号を、500 nm以下かつ100 fs以下の時空間分解能でセンシングすることに成功しました（図４a,b）。また時間分解EO信号の減衰を指数関数を用いてフィッティング（モデル化）したところ、単層部分では約200フェムト秒で緩和する成分のみが観測されました。一方、バルク部分では、この成分に加えて、約2psで緩和する遅い成分の寄与があることが分かりました（図４c）。このことは、単層部分では電場は基板との相互作用などで高速に緩和するのみなのに対し、バルク部分では、表面電場と結合したキャリアのバンド内緩和やバレー間緩和^注10）が寄与していることを示しています。n型GaAsの時間分解EO信号による電場検出感度を見積もると、約100 V/cm/（Hzは周波数）となりました。これは発光測定に基づく従来の手法で得られたマイクロ秒時間領域でのDC（直流）電場センシングと同等の検出感度を達成したことになります。最近のマイクロ秒時間領域でのAC（交流）電場センシングに関する検出感度には2桁及びませんが、本手法ではDC（直流）電場センシングと同等の検出感度で500 nm以下かつ、100フェムト秒というマイクロ秒を遙かに凌ぐ高い時空間分解能が得られることが示されたと言えます。

【今後の展開】

　今回開拓した時空間極限センシング技術は、例えば炭化ケイ素（SiC）などのパワー半導体材料や燃料電池材料内での局所電場検知、トポロジカル絶縁体における局所電場検知など、基礎物理・化学のための基盤技術となることが期待されます。また、NV中心を含むダイヤモンドNVプローブはスピンや温度の変化にも感度があるため、本研究のアプローチは、電場の検出に加え、磁場や温度を検出するためのセンシング技術としても展開可能であると言えます。例えばレーザー医療や分子レベルでの細胞の計測や制御を通じて、癌の治療をはじめとする量子生命科学の分野にも波及しうる革新的な展開が期待されます。

【参考図】

【用語解説】

【研究資金】

　本研究は、科研費による研究プロジェクト（25H00849, 22J11423, 22KJ0409, 23K22422, 24K01286, 24H00416, 23H00264）、および国立研究開発法人 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業CREST「ダイヤモンドを用いた時空間極限量子センシング」（研究代表者：長谷 宗明）（JPMJCR1875）の一環として実施されました。

【参考文献】

a) T. Ichikawa, J. Guo, P. Fons, D. Prananto, T. An, and M. Hase, 2024, Cooperative dynamic polaronic picture of diamond color centers. Nature Communications. 15, 7174 (10.1038/s41467-024-51366-x).

【掲載論文】

令和7年9月26日

　セミナーを下記のとおり開催しますので、ご案内します。

日 時	令和7年9月2日（火） 15：00～16：00
場 所	知識科学系講義棟 2階 中講義室
講演者	Dr. Nicolo Lo Piparo Visiting Researcher, OIST
講演題目	Quantum Repeaters and Aggregated Channels: Building Blocks for Scalable Quantum Networks ※講演要旨はフライヤーのとおり
使用言語	英語
お問合せ先	超越量子未来アリーナ 教授　リム 勇仁（E-mail：ylimjaist.ac.jp ）

● 参加申込・予約は不要です。直接会場にお越しください。

人と安全に協働できる"ソフトロボットリンク"を開発
触れてわかる、近づいて感じる－近接覚と触覚のハイブリッドセンシング技術「ProTac」

【ポイント】

• 透明・不透明を切り替えられるソフトスキンと視覚センサーを用い、近接センシングとスキン変形の解析による触覚センシングを備えたマルチモーダルソフトセンシング技術「ProTac」を開発
• 市販ロボットアームにも取り付け可能
• 従来の剛体リンクでは困難とされる、接触の多い環境下での動作制御が可能
• 農業や介護など、人とロボットが協働する作業への応用に期待
• AI駆動型センシングフュージョン技術

【研究概要】

　近年、人と同じ空間で安全かつ柔軟に作業できるロボットのニーズが高まっています。これに応えるため、私たちの研究チームは、ソフト機能材料と画像や映像から情報を取得・解析する技術である視覚センシング技術を融合した新しいマルチモーダルソフトセンシング技術「ProTac」（図1）を開発しました。
　ProTacは、電圧をかけることで透明・不透明を切り替えられるポリマーディスパースド液晶（PDLC）フィルム^注１）と内蔵カメラを組み合わせています。透明時には視界を活用して周囲の物体の近接を検知し、不透明時にはマーカー画像の変化から触覚情報の取得を実現します。また、最新の深層学習ベースの視覚アルゴリズムを用いることで、安定したリアルタイムセンシングが可能です。

図1：ProTacのイメージ図

　この技術を用いたソフトロボットリンクは、市販のロボットアームやカスタム製作されたソフトロボットにも取り付け可能で、障害物検知に基づく速度調整や接触時の反射動作など、多様な制御戦略を実現します。ProTacを備えたソフト多機能センシングアームは、人とロボットが密に連携する場面や、従来の剛体リンクでは困難な動作制御において高い性能を示しました。
　今後は、この技術を手足や胴体などロボットの各部位に応用し、高機能なマルチモーダルスキンを備えたヒューマノイドロボットの実現が期待されます。また、農業、家庭サービス、介護分野など、幅広い分野での応用も見込まれます。

【研究資金】

　本研究は、日本学術振興会　科学研究費補助金　特別研究員奨励費（24KJ1203）、国立研究開発法人　科学技術振興機構（JST）さきがけ（JPMJPR2038）による財政的支援を受けて実施されました。

【論文情報】

【用語説明】

令和7年8月22日

　8月21日（木）・22日（金）の2日間、東京ビッグサイト（東京都江東区有明）で国内最大規模の産学マッチングイベントである「大学見本市2025～イノベーション・ジャパン」が開催されます。
　本学からは大学等シーズ展示に村田教授が出展します。
　ご来場の際にはぜひお立ち寄りください。

詳細はこちらをご覧ください。
・大学見本市2025～イノベーション・ジャパン公式サイト
　https://innovationjapan.jst.go.jp/

日　時	令和7年9月19日（金）15：30～17：00
場　所	知識科学講義棟２棟　中講義室
講演題目	機能性化合物の分子設計と社会実装
講演者	コニカミノルタ株式会社　技術開発本部　 技術顧問　北 弘志 氏
使用言語	日本語
お問合せ先	北陸先端科学技術大学院大学　ナノマテリアル・デバイス研究領域 教授　村田 英幸（E-mail：murata-hjaist.ac.jp）

● 参加申込・予約は不要です。直接会場にお越しください。