多フォトトランジスタ‐単メモリスタアレイを基盤とする再構成可能なインセンサー処理：機械学習と生体インスパイア型ニューラルネットワークの融合による新しい視覚計算プラットフォーム 学術背景と問題提起 人工ビジョンシステムは、インテリジェントエッジコンピューティングの重要な構成要素として長年認識されてきましたが、従来のCMOS（相補型金属酸化膜半導体）技術とノイマン型アーキテクチャに基づくシステムは、大きな制約を抱えていました。これらのシステムでは、独立した画像センサー、記憶モジュール、プロセッサ間の物理的分離により、大量のデータ冗長性や信号処理の遅延が生じます。これにより、回路設計の複雑化や消費電力の増加が引き起こされ、リアルタイム処理能力が著しく制限されています。自然環境において、従来型の視覚...

光電偏光固有ベクトルを用いたオンチップ全ストークス偏光計研究 学術背景 光の偏光状態は、光通信、生物医学診断、リモートセンシング、宇宙論など、さまざまな分野で重要な役割を果たしています。ストークスベクトル（Stokes vector）は、光の偏光状態を記述する4つのパラメータであり、光の強度と偏光状態の完全な情報を提供します。従来の偏光計は、プリズム、レンズ、フィルター、波長板といった分離された光学部品に依存しており、それらの大きなサイズが偏光計の小型化と広い応用性を制限していました。 近年、ナノフォトニクスやメタサーフェス（metasurface）の技術が進展し、それらを活用したコンパクトな偏光計が探索されています。しかし、既存のメタサーフェス偏光計は、特に赤外領域においてピクセル配置の調...

高性能p型フィールド効果トランジスタ：2次元材料の置換ドーピングと厚さ制御 学術的背景 半導体技術の進展に伴い、シリコン基フィールド効果トランジスタ（FET）はパフォーマンスの限界に近づいています。このボトルネックを克服するため、研究者たちはシリコンの代替として2次元（2D）材料の可能性を模索しています。モリブデン二硫化物（MoS₂）、モリブデン二セレン化物（MoSe₂）、およびタングステン二セレン化物（WSe₂）といった2D遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）は、原子レベルで平滑で欠陥のない表面や優れた電子特性により注目されています。しかしながら、n型2D FETでは著しい進歩が見られる一方、p型2D FETの開発は遅れています。これは主に、金属-2D材料の界面におけるフェルミ準位ピン止め効...

シームレスなグラフェンスピンバルブの構築：Van der Waals磁性体Cr₂Ge₂Te₆の近接効果に基づいて 研究の背景と意義 グラフェンは、高い電子移動度と長いスピン拡散長を持つ2次元材料として、スピントロニクス分野で大きな可能性を秘めています。しかし、グラフェン自身のスピン軌道相互作用（Spin-Orbit Coupling, SOC）や磁気交換相互作用（Magnetic Exchange Coupling, MEC）は弱く、それがスピン情報の生成や制御における機能を制約しています。一方で、近接効果（Proximity Effects）を活用し、近接する材料との短距離相互作用を介して新たな物理特性を導入することで、グラフェンのスピントロニクス応用性能を向上させることが可能です。 これ...

高度量子閉じ込め下での垂直ナノワイヤ・ヘテロ接合トンネルトランジスタによる高性能・低エネルギー電子デバイスの新たなブレークスルー 学術背景 データ集約型計算や人工知能の急速な発展により、電子デバイスのエネルギー効率に対するさらなる高い要求が生じています。しかし、従来のシリコンベースのコンプリメンタリ金属酸化膜半導体（CMOS）技術は、物理的限界により、理想的な性能と消費電力のバランスを実現するためのさらなるサイズ縮小が困難です。これらの制約には、短チャネル効果やソース・ドレイン間の直接トンネル効果による最小ゲート長の制限、またフェルミ・ディラック（Fermi-Dirac）電子統計に由来する60 mV/decのサブスレッショルドスイング（Subthreshold Swing, SS）熱限界、い...

ウェアラブル単一トランスデューサーによるエコーマイオグラフィーシステムの革新：筋肉動態監視から複雑なジェスチャー追跡まで 学術的背景と研究の意義 近年では、ウェアラブル電子デバイスが健康モニタリングおよびヒューマンマシンインタラクション分野において大きな可能性を持つとして注目を集めています。その中でも、筋活動を測定する技術として表面筋電図（Electromyography, EMG）が研究のホットトピックとなっています。しかし、EMG信号には多くの制約があります。信号強度が弱く不安定で、空間分解能が低い上、信号対雑音比（SNR）が低いです。その偶発性や同期性の低さが測定結果の不一致につながり、特定の筋線維の寄与を効果的に分離することが困難です。また、信号質を改善するために利用される大型の電極...

刺繍形式の超材料バイオセンサー：運動環境における非接触型生体信号モニタリング 近年、スマートカー、航空安全、健康モニタリングの需要が増加する中で、さまざまなセンサー技術が急速に発展しています。しかし、特に動的な環境で生理信号を測定する場合、従来型センサー技術には、信号干渉や振動の影響、プライバシー問題など、多くの課題があります。この課題に対処するために、本研究はデジタル刺繍によって製造された超材料バイオセンサーを提案し、運動環境下でも高品質な心肺信号を非接触で取得できる新しいアプローチを提供しました。 背景と動機 統計データによると、アメリカだけで毎年10万件以上の交通事故が、ドライバーの疲労や注意散漫などの要因によって引き起こされています。これを減少させるために、自動車用バイオセンサーは、...

二次元ヴァン・デル・ワールス金属陰極を用いたアナログスイッチングメモリスタの研究 学術的背景 人工知能（AI）アプリケーションが急速に発展している中で、従来のフォン・ノイマンアーキテクチャは、データ集約型計算タスクにおいて性能の限界に達しようとしています。ニューロモルフィックコンピューティング（neuromorphic computing）は、データ集約型タスクをより高速かつ効率的に処理できる新興の計算パラダイムとして注目されています。この分野では、メモリスタ（memristor）はメモリ内計算やアナログ計算を実現できるため注目されています。特に、複数の導電状態を持つアナログメモリスタは、ニューロモルフィックコンピューティングの効率を大幅に向上させることができます。しかしながら、従来のアナロ...

挿入層遷移金属ジカルコゲニドに基づく高生成率での効率低下が抑えられた発光ダイオード（LEDs）の研究 背景と研究意義 近年、2次元（2D）材料を基盤とした発光ダイオード（LEDs）は、ディスプレイ技術、光通信、ナノ光源などの分野で注目を集めています。しかし、2D材料の強い量子閉じ込め効果と減少した誘電体遮蔽効果により、高生成率下では2D材料LEDに「効率低下」（Efficiency Roll-Off, ERO）が生じる課題が存在します。この現象は主に励起子-励起子消滅（Exciton-Exciton Annihilation, EEA）プロセスに起因します。このプロセスは、ある励起子が別の励起子を非放射的に解離させ、エネルギーを放出するオージェ再結合（Auger recombination）...

高遷移率n型モリブデン⼆硫化物トランジスターにおける分数量子ホール相研究 背景および研究動機 低温環境において、半導体遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）に基づくトランジスターは、理論的に高いキャリア移動度、強いスピン軌道相互作用、そして量子基底状態における内在的な強電子相互作用を提供することができます。これにより、多体電子相互作用や量子状態の探索に理想的なプラットフォームとなります。しかし、極低温でTMD材料に対して信頼性の高いオーミック接触（Ohmic Contact）を実現する難しさから、フェルミ準位がバンド端近くにある場合の電子相関特性、特に部分充填されたランドー準位（Landau Levels, LLs）での分数...