現代が情報化社会と呼ばれて久しいですが、昨今は、AI の普及により大量のデータ処理や演算の需要が益々高まっています。これらは消費電力の指数関数的な増加に直結しています。これまではSi が半導体デバイスの中心でしたが、近い将来、微細化だけによる高性能化、低消費電力化には物理的な限界が見え始めつつあります。そこで、カルコゲナイドと呼ばれる周期表の第16族元素を含んだ全く新しい材料によって、既存のSi 半導体を凌駕する電子デバイスの実現を目指して研究を行なっています。トランジスタやメモリといった現代社会に欠かせない電子デバイスに、新材料の切り口で挑戦をしています。また、東北大学青葉山新キャンパス内で稼働を開始した、次世代放射光施設「ナノテラス」を用いた実験にも取り組んでおり、世界最先端の研究環境で高機能の材料開発を進めています。

カルコゲナイド材料薄膜は、量産化とも相性の良いスパッタリング法にて作製しています。これにより、材料の基礎研究と実用化との障壁を大きく下げることができます。また、従来全く検討されてこなかった材料の組み合わせや、自然界には存在しない準安定な薄膜材料の創製など、これまでにない手法での材料技術の高度化を目指しています。さらに、放射光実験や第一原理計算も取り込みながら、材料の理解も同時に進めています。

• 新規カルコゲナイド材料による電子デバイスの高機能・低消費電力化
• 実用化を見据えた新規電子材料設計・開発
• 放射光や理論計算による電子状態の解明

半導体は、デバイスメーカーだけでなく、半導体製造装置メーカー、半導体素材・材料メーカーと非常に裾野の広い産業です。サプライチェーンの安定化が望まれる中、日本発の新材料技術として社会実装を目指します。

　数十W 程度の電力で、空気を原料に五酸化二窒素（N2O5）を選択的にオンサイト合成・供給できるプラズマ装置を開発し、応用展開を推進しています。
　N2O5 は、熱や水分に弱く保存が難しいことから集約生産されておらず、従来の合成法も高い危険性や環境汚染等の問題があったことから、これまで広く使われてきませんでした。空気からオンサイト合成できる本技術を使用することで、安全かつ簡単に N2O5 を現地生成・利用することが出来るようになります。本技術は、再生可能エネルギーとの親和性も高く、持続可能な環境負荷の小さい分散アプリケーションのコア技術となりえます。
　本技術を用いて、これまでに下記の効果を既に実証しており、今後は医療・農業・環境・材料分野等でさらに幅広く応用探索を進めたいと考えています。
○殺菌・殺ウイルス効果
○植物免疫活性効果
○植物機能成分の増産効果
○窒素施肥効果

N2O5は、熱や水分に弱く、保存が効かず集約生産に不向きである他，従来合成法には、高い危険性や環境汚染等の問題がありました。
安全な空気からその場合成できる本技術は現地生成・利用を可能にします。

• 原料は空気のみ
• 省電力・省メンテナンス
• 100ppmを超える五酸化二窒素を供給可能

空気とわずかな電力しか用いない本技術は、持続可能な環境負荷の小さい分散アプリケーションとの親和性が高いです。上述の特徴を上手に活用した未来の技術として発展させていきたいと考えています。

• 　有機分子の集積によって構成されている分子性伝導体を中心に研究を進めています。分子で構成されている有機物質の特徴は“ やわらかい”ことです。この特長から、近年、有機EL デバイスなどの軽量で“ 曲がる”エレクトロニクス材料として注目されています。当研究室では、このような分子性有機物質の基礎的物性（金属-超伝導- 絶縁体）の解明、新物性の開拓を目指しています。
• 　分子性有機物質は、無機物質と比べて“ やわらかく” 大きく広がった分子軌道や電荷の分布、また分子自身の持つ構造自由度などのために、電荷- スピン- 分子格子- 分子内結合の間にゆるやかで大きな自由度を有しています。このナノ分子サイズの“ やわらかい” 複合的自由度と強く関係している超伝導から絶縁体までの多彩な電子状態がバルクな物性として現れます。このような分子性物質の特長をフルに活かして、電子物性物理の重要で興味ある問題にチャレンジしています。このような研究に興味のある企業への学術指導を行なう用意があります。

レーザーなどの光が物質に照射されると、物質中の原子や電子のダイナミクスが駆動されます。私たちは、このように駆動される原子・電子のダイナミクスを、量子力学に基づく微視的シミュレーションを用いて詳細に解析する研究を行っています。さらに、このシミュレーション手法を通じて、光が誘起する現象の背後にあるミクロな物理過程の解明にも取り組んでいます。

従来の物質科学計算では、密度汎関数理論に基づく静的な第一原理計算シミュレーションが広く用いられてきました。しかし、そのような静的手法では、光によって物質中に駆動されるダイナミクスを捉えることは容易ではありません。本研究手法は、物質のダイナミクスを扱うことのできる時間依存密度汎関数理論を用いることで、静的な記述を超え、光が駆動する非平衡現象・非線形現象・超高速現象を精密に解析することを可能にします。

• ・光科学の第一原理計算
• ・光が駆動する原子-電子の非平衡ダイナミクスを時間領域で解析可能
• ・シミュレーション結果からミクロな物理過程を解明

私たちは、光が駆動する非線形・非平衡な原子・電子のダイナミクスを精密に記述する理論計算手法を開発するとともに、光駆動現象を基盤とした新たな科学技術の創出を目指して研究を進めています。私たちの研究が、新たな科学技術の社会実装に貢献できれば幸いです。

• 中性子散乱は他の散乱手法（X散乱や電子線散乱）に比較して、1) Li、 H 等の軽元素による散乱が大きい、2) 磁気散乱を通して物質中の電子スピンを検出可能、3) 弾性散乱（回折）に加えて室温程度の低エネルギー励起の測定が可能という特徴があります。我々は中性子散乱法を用いて、多体電子系における巨視的量子現象、なかでも量子フラストレートスピン系における巨視的非磁性基底状態や磁気揺らぎが媒介する非従来型の超伝導現象の探索とその解明を目的に研究を進めています。

上で述べたように、中性子散乱は磁気構造およびスピンダイナミクス、さらに結晶中の軽元素位置やその運動を調べるのに適した手段です。従って、このような情報が必要な材料研究には極めて有用であると考えられます。

水蒸気を混合した加圧ガスを噴射ノズルから噴出することにより、水蒸気を大気により冷却・凝縮（液化）させ、高速で噴射されるナノメートルスケールの液滴（高速ナノミスト）を生成することが可能です。本技術は、その方法と装置に関するものです。

・ナノミスト発生装置
https://www.t-technoarch.co.jp/data/anken/T20-702.pdf

本技術は液滴径が小さく、薬剤を用いずとも力学的・化学的作用などによる殺菌・洗浄が可能。必要水量も少なくドライかつ低温での殺菌・洗浄処理が可能。

• 水蒸気を混合した加圧ガスを噴射ノズルから噴出することにより、水蒸気を大気により冷却・凝縮（液化）させ、高速で噴射されるナノメートルスケールの液滴（高速ナノ液滴）を生成することが可能です。本技術は、その方法と装置に関するものです。
• ・高速でナノメートルスケールの液滴を噴出することが可能
• ・低温、超節水、薬剤フリー、濡れない、殺菌
• ・洗浄が可能・液滴径のサイズや数の制御・計測が可能

以下のような社会実装を念頭に、研究を進めています。
・手洗い、シャワー（寝たきり、水インフラがない地域、災害、治療等）
・食品殺菌（食肉、農産物、魚介類、加工品、調理用具、身の回りの物品）
・半導体洗浄、耐熱性の低い材料や濡らさない必要のある材料の殺菌･洗浄

• オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル合金は粒界劣化現象が永年の大きな問題です。当グループの開発した粒界工学制御プロセスは、通常ステンレス鋼の粒界腐食（図1、2）、溶接部腐食、応力腐食割れ、液体金属脆化、放射線損傷などに対する抵抗性を著しく向上させるとともに、高温クリープ破断寿命を顕著に延長（図3）させるなど、粒界劣化現象抑制による著しい特性改善を実現しました。

この粒界工学制御技術により、金属材料の耐食性や高温寿命の向上が期待できることから、電力・化学プラント配管、高温高圧容器、食品加工機器などの製造業への適用が想定されます。