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層状物質の物性がここ数年、関心を集めている。それに新しい可能性が加わった。層状物質の六方窒化ホウ素(hBN)の層間の隙間は、赤外線レーザー照射で縮められることを、産業技術総合研究所の宮本良之（みやもと よしゆき）研究グループ長と宮崎剛英（みやざき たけひで）研究グループ長らが、第一原理計算によるシミュレーションで理論的に示した。
図1. 赤外線レーザー照射による格子振動で上下に縮む六方窒化ホウ素(hBN)の概念図(提供：産業技術総合研究所)
層状物質の層間距離を制御しながら、隙間に取り込んだ化学物質の反応を調節するなどの新材料開発への貢献が期待される。赤外線レーザーの利用による層間距離の短縮は誰も思いつかなかったアイデアで、新理論はその突破口を開いた。中国の四川大学の張紅（ジャン ホン）教授、ドイツのマックスプランク物質構造・ダイナミクス研究所のアンヘル・ルビオ教授との研究協力で、3月19日付の米物理学会誌フィジカルレビューレターズのオンライン版で発表した。
図2. 六方窒化ホウ素(hBN)シート内のホウ素原子と窒素原子の蜂の巣状格子(提供：産業技術総合研究所)
図3. 赤外線レーザーによる格子振動とそれによるhBNシートの分極の概念図(提供：産業技術総合研究所)
炭素原子1個分の厚みしかないグラフェンなどの層状物質は、特異な電子物性や層間への物質の取り込みなどを利用して、高効率の光・電気信号変換デバイスや高感度センサーなどの幅広い用途が考えられ、層間距離に依存した電子物性の研究が進められてきた。しかし、層間距離を任意に制御する技術はこれまでなかった。
研究グループはシミュレーションで、レーザーによる層状物質の生成や改質方法の開発に取り組んできた。強度をコントロールした赤外線レーザー照射で、hBN原子層の格子振動の振幅を増大させ、層間距離の変化を計算した。hBNは層内にホウ素(B)と窒素（N）を含む化合物で、蜂の巣状の格子にホウ素原子と窒素原子が交互に並んだ構造の層が重なっている。
このような物質の層間引力は、ファンデルワールス力と呼ばれる弱い凝集力だが、赤外線レーザーで格子振動を励起すれば、ファンデルワールス力を増強する場合があることを見いだした。赤外線レーザーを照射し、その波長を1.4 µm（µmは千分の１mm）に調整すると、層の上下にホウ素原子と窒素原子が反対方向に変位する格子振動を誘起できた。ホウ素と窒素がそれぞれ正と負の電荷をもっているため、変位で層に分極が生じ、互いに平行な分極で引力が生じる。
この分極で発生するクーロン力は、hBNの層間距離を最大で元の距離の11.3 %も縮められることをシミュレーションで確かめた。従来の報告では、グラファイトに0.8µmの波長の圧縮パルスレーザーを照射すると、その層間距離が元の距離の6 %まで一時的に縮まることが報告されているが、今回のhBNの層間距離の縮みはそれを上回る。また、レーザーが強すぎると、照射中に電子励起が起きて、hBN層間の収縮を逆に妨げる効果があることもわかり、層間距離の収縮には、レーザー強度の適切な調整が重要であることを示した。
宮本良之研究グループ長は「赤外線レーザーは、層を剥がしたり蒸発させたりする分解に応用されてきたのに対して、われわれは層間の結合を強めるという新技術を提案した。実験で、この理論を裏付け、層間に取り込まれた化学物質の新規反応が層間距離の圧縮で起こる可能性を探りたい。ただ、シミュレーション通りの実験環境は難しい。レーザーと材料の両方の専門家が協力する必要がある。この研究で、熱的な効果のみが注目されていた赤外領域のレーザーの応用範囲は、格子振動の誘起へと広がるだろう」と話している。
宇宙航空研究開発機構(JAXA)は3月21日、小惑星探査機「はやぶさ2」の第1回目のイオンエンジン連続運転が同日午前5時30分(日本標準時)をもって、正常に終了したと発表した。
これは、同日の運用において取得したテレメトリデータにて確認されたもの。今回のイオンエンジン連続運転は3月3日より409時間実施され、これは計画通りの稼働時間だという。
またJAXAでは、第2回目のイオンエンジンの連続運転は2015年6月上旬ころに実施予定としているほか、今後、イオンエンジンの稼働状態や連続運転後の軌道情報などについての詳細解析を進めていく予定としている。
「はやぶさ2」のミッションスケジュール (C)JAXA
情報通信研究機構(NICT)は、電気通信大学と共同で、量子情報通信ネットワークの基本操作である「量子もつれ交換」を従来技術の1000倍以上の高速化に成功したと発表した。
これまでの量子もつれ交換技術は、速度が遅すぎて、原理実証実験はできても、実際のネットワーク上での通信実験に適用することは不可能だった。今回の研究成果により、光ファイバーネットワーク上で、量子もつれ光子対に対する回線交換や量子暗号を長距離化するための中継実験を行うことが可能になる。
量子もつれ光子対は、離れた2地点にある光子の間に強い結びつき(いわゆる量子もつれ相関)を持つため、レーザー光では実現できない安全な通信(量子暗号)や高速の計算(量子計算)を実現することができる。複数の量子もつれ光子対をネットワーク上で伝送し、必要な地点間で量子もつれ相関を自在に形成することができれば、量子暗号の長距離化や量子計算機のネットワーク化が可能になる。
そのための基本的なプロトコルが量子もつれ交換である。これは、地点A、B間および地点B、C間でそれぞれ量子もつれ光子対A-BおよびB-Cを共有し、中間地点Bにおいて各対の光子2つにベル測定と呼ばれる操作を行うことで、本来、相関のなかった地点A、C間に量子もつれ相関を形成するもの。
量子もつれ交換を通信ネットワーク上で実現するためには、光ファイバーに適した通信波長帯の光子対を用いる必要がある。通信波長帯における量子もつれ交換の処理速度は、これまで最大でも10秒ごとに1回程度しか行うことができなかったため、プロトコル自体の原理実証はできても、実ネットワーク環境下の通信実験には至っていなかった。
量子もつれ交換を高速化するためには、要素技術となる光子検出器の高速化と高感度化、さらに、A-B間、B-C間の量子もつれ光子対を生成する量子もつれ光源の高輝度化と高純度化が必要となる。NICTでは、2013年11月に、通信波長帯超伝導光子検出器の高感度化(検出効率30%→80%)に成功していたほか、2014年12月、光ファイバー通信波長帯において、高輝度・高純度量子もつれ光を生成できる周期分極反転ポタシウムタイタニルフォスフェート(KTiOPO4)結晶を用いた独自の高純度かつ高速の「量子もつれ光源」を開発していた。
今回、これらの要素技術を統合し、さらに、2つの独立な量子もつれ光源から生成されたA-B間、B-C間の2組の量子もつれ光子対の光子を地点Bで高精度で干渉させるための同期技術を確立することにより、1秒間に108回の量子もつれ交換を行う装置の開発に成功した。これは、従来の速度の1000倍以上に相当する。
なお、今回の研究においては、NICTが量子もつれ交換システムの構築、実証実験を担当し、電気通信大学はデータ解析を担当した。
今回の成果により、これまでは速度が遅すぎて不可能だった、光ファイバーネットワーク上での量子もつれ交換実験が可能になるとのことで、これにより、量子暗号の長距離化に向けた研究開発が大きく前進することとなるとのことで、NICTでは、今後も産学官の機関と連携し、量子暗号の長距離化や量子計算機のネットワーク化に向けた研究開発を進めていく予定だとしている。
なお、同成果は、英国科学誌「Scientific Reports」に掲載された。
量子もつれ交換の原理
量子もつれ交換の実験装置
Infineon Technologiesは、モバイル/ウェアラブル製品やIoT(Internet of Things)機器の用途向けに、±5cmの超高分解能かつ低消費電力のデジタル気圧センサ「DPS310」の提供を開始したと発表した。
同製品は、圧電式ではなく、MEMS技術を用いた容量性検知方式を採用。これにより、温度が急に変化した場合でも、広い温度範囲を通じて高い精度が保証される。
高精度モードで使用した場合、±5cmでの高さを正確に測定できるため、屋内ナビゲーション最大の課題である過渡状態の正確な検知が可能。高い分解能により、ユーザーが今いる階から別の階に移動していることを識別し、新しい階の見取り図のダウンロードを得るといった応用が考えられる。また、スポーツ/フィットネス アプリケーションでは、さまざまな種類の「ステップ」を判別し、これに応じたカロリーの「燃焼率」をより正確に計算することができる。
また、同社の車載用センサ向けに開発された先進的な半導体プロセスを活用。2.0mm×2.5mm×1.0mmの省スペース型8ピンLGAパッケージへのデバイスの小型化と、低消費電力化に貢献している。
低消費電力モードの場合、消費電流は1回の測定で1秒当たり3μA、待機モードではさらに低くなり1μAを下回る。最新32回分の測定内容を記録するFIFOを内蔵しているため、センサの読み出し間に、ホストプロセッサがスリープモードでいられる時間が長くなることで、システム全体の消費電力を削減できる。
1.7V～3.6Vの供給電圧で動作し、300hPa～1200hPaの圧力範囲と-40℃～85℃の温度範囲で、高信頼性、高精度のパフォーマンスを達成。複数の測定モードと分解能により、対象とするアプリケーションに合わせたデバイスの最適化が可能となっている。
同製品は、2015年5月にエンジニアリングサンプル、2015年第3四半期に量産出荷の開始を予定。今後はスターターキットと評価ボードを提供し、デザインイン作業をサポートしていく。
Infineonのデジタル気圧センサ「DPS310」
