未来の担い手たちあらゆる材料開発の基盤づくりを担う若き研究者たちの挑戦をご紹介。

データ駆動型手法により顕微鏡像に秘められた手がかりを引き出す

私はNIMSでポスドクの職を得たことを機に来日し、若手国際研究センター（ICYS）での研究経験を経て、定年制研究者になりました。データ駆動型手法とハイスループット実験技術を統合し、無機材料の特性の予測と検証を行っています。それよって高効率な研究サイクルが生まれ、新材料の発見プロセスは加速しています。最近は、熱絶縁性やイオン伝導性に優れる先進的な無機材料の開発に注力しており、材料の構造と特性との関係理解を目指しています。

私の重要な研究の1つが、周期的な原子配置がないために従来の手法では解析が難しい、アモルファス材料の構造解析です。熱伝導率の異なるアモルファス材料のつくり分けは可能ですが、その違いをもたらす構造的特徴を理解することは依然として困難でした。私たちの最近の研究では、トポロジカルデータ解析（TDA）を用いて、アモルファスゲルマニウム（a-Ge）の透過型電子顕微鏡（TEM）画像から構造的特徴を抽出しました。TDAは、a-Ge内に存在するリング構造（原子鎖）のサイズを定量化し、その形成と熱伝導性に対する蒸着温度の影響を明らかにしました。これからもデータ駆動型手法が与えてくれる洞察をもとに新材料への挑戦を続け、環境問題に対する有望な解決策を提示していきます。

〈関連プレスリリース〉熱伝導率の異なるアモルファス材料の構造的要因をデータ科学で解明

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次世代厳密計算手法の新展開で、材料を解く！

私は「第一原理量子モンテカルロ法（QMC）」という確率的方法論に基づいて物質の電子状態を計算する手法の開発と、材料開発への適用を進めています。QMCは、第一原理計算の中で最も普及している密度汎関数法（DFT)や波動関数法（WF)が抱える課題を解消する、次世代の厳密計算手法として期待を集めています。
しかし、QMCは電子が持つエネルギー値の厳密な計算は可能でも、材料開発に適用するうえでは少しギャップがありました。材料の設計においては物質中の電子のエネルギーのみならず、格子のエネルギーがどのように変化し、安定構造を導くかについて知ることが重要ですが、それをQMCで正確に求めるのは困難だったのです。私はそのギャップを埋める方法論の開発と、その手法を実装する計算コードの開発に尽力してきました。最近では、原子に働く力（原子位置に対するエネルギーの変化率）や固体の格子振動を高精度に計算できるようになりました。自身の計算コードを多くの人に利用してもらえるよう汎用性を考慮して開発を進め、ソフトウェアパッケージ「TurboRVB」＊として広く公開しています。今後も研究活動を通じ、世界の電子状態計算コミュニティに貢献していきたいと願っています。

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独自の計測手法とデータ解析手法で表面・界面の真理を探究する！

物質の表面・界面の状態を、照射した光との相互作用に基づき可視化する顕微分光技術。私はそれをベースに複数のパラメータ（空間・時間・外場など）を同時計測する「多次元分光計測」に取り組んでいます。放射光施設「SPring-8」では、集光X線で試料を走査する「走査型光電子顕微鏡(SPEM)」を改良し、電場印加中の原子層デバイスにおけるキャリア移動量の定量化を実現。実験室でも「多探針オペランド顕微ラマン分光装置」など独自装置の開発を進めています。私のこだわりは、試料にできるだけ“きれいではない” 系を用いること。元素の分布も厚みも均一ではないほうが産業用デバイスに近く、実用的なデータが得られるからです。

そして私が計測と等しく重視している点が、データから有用な物性情報をどれだけ引き出せるか。顕微分光データはまさに情報の宝庫で、機械学習を用いたデータ解析手法の開発にも注力しています。実際、SPEMで取得した1000〜1万本のスペクトルデータセットの高速自動解析手法を開発し、手動解析では見落としがちな局所的な変化の検出に成功しました。また「反射高速電子回折」は物質表面の原子構造解析に有用なものの、その回折データはきわめて複雑です。それを専門家レベルの精度で自動解析できる手法も開発しました。計測の先にある物性理解や材料設計指針の提案にまで踏み込めることが私の強みです。何事も楽しむ気持ちと好奇心を原動力に、幅広い計測技術の開発を進めていきます。

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見えなかったものを可視化する
新しい放射光顕微手法を開拓

私は、放射光から発生する高輝度X線を使った独創的な計測装置を数多く開発し、物質・材料の精密解析を実現してきました。いま特に注力しているのが“強磁性体のようにふるまう反強磁性体”の解析です。本来、反強磁性体は磁力を持たない物質ですが、強磁性体が示す磁気効果を発現する反強磁性体が発見され、特性発現メカニズムの解明が待ち望まれています。

そこで私が目をつけたのが「X線磁気円二色性（XMCD）」^＊という現象です。これを解析原理とした「軟X線顕微鏡」では、磁力の起源である電子の状態を元素選択的に解析できます。ただ、XMCDからわかるのは原子１つ１つの電子状態だと考えられてきたため、特性発現に複数の磁性イオンが関与する“強磁性体のようにふるまう反強磁性体”の場合、「XMCDでは観測できない」というのが通説でした。

それでも私はXMCDに関する理論を一から見直し、XMCD信号の中で余計なものとみなされてきた「異方的磁気双極子項」と呼ばれる物理量から反強磁性体が示す特異な磁気効果の起源が説明できる、という新理論を提案しました。そして放射光施設でその実証に成功したのです。現在はさらに踏み込み、磁気の動的変化を可視化するべく、放射光施設「NanoTerasu」のもと軟X線顕微鏡の構築を進めています。物質・材料にはまだまだ潜在的な機能があるはずです。それを解き明かしたいという熱意を胸に、斬新な計測手法の開拓を続けていきます。

＊XMCD…試料に対し、円を描くよう偏光させたX線を照射した際、電子スピンの向きと円偏光の向きとの相対的な関係により、試料のX線吸収強度に差が生じる現象。