【ディープテックを追え】従来の分類に”当てはまらない物質”、トポロジカル物質とは?

#83 TopoLogic

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物質内部は絶縁体でありながら、表面は電気を通すトポロジカル物質。従来の分類に当てはまらない物質として、注目を集めている。東京大学大学院理学系研究科、中辻・酒井研究室からスピンアウトしたスタートアップ、TopoLogic(トポロジック、東京都文京区)は同物質の社会実装を目指す。

トポロジーとは?

トポロジー(位相幾何学)は物体の穴の数などの位相幾何学的な構造に注目し、それを自在に変形できるとしたときに保たれる性質に着目した学問だ。例えば、ドーナツを切ったりせずに連続変形させると、穴が一つのカップへ変形できるような性質のことを指す。対して穴が一つもない、りんごをカップへ変形させようとすると、りんごに穴を空けないとカップには変形できない。この場合、りんごとカップは「トポロジー的」には異なる物質ということになる。物性物理学にトポロジーの概念を取り入れ、様々な特殊な効果を発現するトポロジカル物質について、初めて体系的に提案した3人は2016年のノーベル物理学賞を受賞した。

トポロジカル物質は従来の金属や絶縁体、半導体などでは見られない現象を起こす。例えば、トポロジカル絶縁体は、一見通常の絶縁体でも電子構造がトポロジー的に異なる性質を有していると、物質の表面にだけ電気を流す効果を発現する。トポロジックはこの特性を熱流センサーやスピントロニクス素子に応用する。

薄い熱流センサー

開発する熱流センサー

同社の開発する熱流センサーは特殊な熱電効果「異常ネルンスト効果」を活用する。通常の熱流センサーは熱流と同じ方向に電圧が現れる「ゼーベック効果」を使う。半導体素子を多数埋め込むため、大容量化のコスト増加が課題だった。異常ネルンスト効果を使ったセンサーの場合、立体形状にする必要がなく薄膜に形成が可能だ。フレキシブル基板のような材料でも製造でき、製造コストを低減できる。また、薄い材料を使うことでパソコンやスマートフォンなどの最終製品の設計を変えることなく搭載できる。現在、バッテリーなどの異常を検知するために使用されている温度センサーの置き換えを目指す。

20ミリメートル×20ミリメートルの実験用センサーは開発済み。今後は制御アルゴリズムや電子回路設計の開発を進め、熱を安定的に計測できるようにする。佐藤太紀最高経営責任者(CEO)は「ここ1、2年で設計精度を高め、共同研究を進めたい」と話す。24年ごろの製造販売を目指す。

将来はMRAMにも

佐藤CEO
澤井周最高執行責任者(COO)

スピントロニクス素子は不揮発性メモリーとして開発が進むMRAM向けの応用を目指す。従来のDRAMやSRAMは電気を通していないと、情報を保持できない揮発性メモリーだ。MRAMは電子が持つスピンに情報を割り当て、電気を流さないでも情報が消えないメモリーだ。省電力に加え、書き換え速度にも優れるため次世代メモリーとして期待される。同社は伝導電子が磁性を持つ際に特徴的に生じる「異常ホール効果」を素子に応用。従来のシリコンよりも消費電力を減らし、スピンの応答速度向上やMRAMの高集積化などをもくろむ。ただ、佐藤CEOは「MRAMの普及は24年以降とみている」と話すように市場形成までは時間を要しそうだ。それら以外の素材開発も中辻・酒井研究室と協力して進める。将来は新材料の素材から部品モジュールまでを提供する、「トポロジカル物質のプラットフォーム」の立ち位置の確立を目指す。

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