１．分野名　（２１）ナノスピンエレクトロニクス

２．分野別計画検討者

検討担当委員： 舛本　泰章 　筑波大学物理学系教授 川合　知二 　大阪大学産業科学研究所教授 榊　　裕之 東京大学生産技術研究所教授 意見聴取者   ： 横山　直樹 富士通ナノテクノロジー研究センター長 長我部信行 日立製作所基礎研究所長 平山　祥郎 ＮＴＴ物性科学基礎研究所グループリーダー ３．当該分野の概要 （１）専門的概要説明 　半導体、酸化物や磁性体中の電子のもつもう一つの自由度であるスピンを電子デバイスにおける新しい自由度として積極的に活用し、既に応用の展望のある磁気センサー、磁気メモリや光アイソレーター性能の格段の高性能化に加えて、大きな可能性のある超高速光スイッチ、スピントランジスター、さらには、量子情報処理・量子情報通信デバイスなどとして利用する基盤を作る。加えて、新しいナノスピントロニクス材料の探索も行い、これらによって新しいナノ構造を利用したスピントロニクスの展開を推進して、次世代情報処理技術の基礎を作る。 （２）一般向け概要説明 　スピンは光アイソレーター以外ではこれまでほとんど実用電子デバイスに使われてこなかった電子の自由度であったが、半導体中を電子がスピン状態を保ったままマクロなスケールで伝播したり、長い時間電子がスピン状態を保ったままになることがあるケースが見出されて、スピントランジスター、新たなスイッチや超高速光スイッチ、量子情報処理キュビットなどとして利用する可能性が指摘されている。特に量子情報処理はコンピューターの性能の飛躍的向上には必須で、半導体中の長いコヒーレンス時間をもつ電子スピン状態や核スピンは量子情報処理キュビットとして有力である。このため多くの可能性のある新しいナノ構造を利用してスピンエレクトロニクスの展開をはかり、次世代情報処理技術の基礎を作る必要がある。   一方、基礎研究レベルでは最近大きな進歩があり、より実用化が近いものとしては、巨大磁気抵抗効果の高密度磁気メモリや高感度磁気センサーへの応用、大きな磁気光学効果を示す新ナノ素材があり、現用の磁気メモリ、光磁気記録、光アイソレーターを飛躍的に高度化する可能性が高い。 ４．現状及び実用化・産業化の具体的目標並びに目標達成時期の目途 （１）現状 　スピンエレクトロニクスはごく最近になって多くのブレークスルーが我が国の研究者によってなされ世界的に注目され始めた分野である。情報技術を支える半導体産業と磁性体産業の接点にあり、その両方の産業に極めて大きなインパクトを与える可能性がある。１０〜２０年後に実用化・産業化が期待される。 （２）実用化・産業化の具体的目標及び達成時期の目途 電子スピンのコヒーレント制御の研究 　半導体中を電子がスピン状態を保ったままマクロなスケール伝播したり、電子のスピンや核のスピンの緩和が長いコヒーレンス時間を持つことがあるケースが見出されて、新たなスイッチや超高速光スイッチ、量子情報処理キュビットなどとして利用する可能性が指摘されている。電子や核のスピンがコヒーレントである長い時間、フェムト秒光パルスにより上向きスピンと下向きスピンの任意の線形結合状態を形成し、これをコヒーレント制御することができることで、光パルスの時間幅だけで決まる超高速の光スイッチ、量子情報処理キュビットにすることができる。こうした研究は、１０年から２０年後の実用化・産業化をめざした挑戦的基礎研究で、実用化には更にその後に５年から１０年を要する。 巨大磁気抵抗を示す物質の研究 　磁性イオンを含む磁性半導体や磁性酸化物で巨大磁気抵抗を示す物質やナノ構造物質が見出されている。こうした物質は磁気センサーや磁場による伝導スイッチとして有用で、物質の探索や構造の最適化の研究により、実用になる可能性があるのは１０〜１５年後であろう。 大きなファラデー回転を示すナノ構造の研究 　ファラデー回転は光アイソレーターとして使える他にない特性であり、ファラデー回転を利用した光アイソレーターは光通信のあらゆるシステムに組み込まれている。光情報通信の波長に応じた大きなベルデを持つ磁性半導体ナノ構造は特に注目すべき材料で、優れた特性をもつ材料が見つかれば数年のうちに実用化される。 ナノ構造におけるスピン量子物性の研究 　電子がスピン状態を保ったままマクロなスケール伝播するとスピン偏極電子の注入と制御を用いた各種のスピントランジスターなどの新素子の可能性がある。また、単電子動作する磁性体ナノ構造では、電子スピンの状態が電気伝導を支配してくる。この現象は極めて敏感な磁気センサーや磁気メモリを可能にする。こうした課題は、１０〜２０年後の実用化・産業化をめざした挑戦的基礎研究である。 新しいナノスピンエレクトロニクス材料の探索 　希薄磁性半導体、有機分子、金属ナノ構造のネットワークや量子ドットのネットワークにおいて新しいテラヘルツ帯光素子や磁気記録媒体などに使えるナノスピンエレクトロニクス材料が見出される可能性がある。こうした課題も、１０〜２０年後の実用化・産業化をめざした挑戦的基礎研究である。 ５．研究の概要 　ここでは考えられる研究内容を例示する （１）電子スピンのコヒーレント制御の研究 　半導体中を電子がスピン状態を保ったままマクロなスケールを伝播したり、電子のスピン緩和が長いコヒーレンス時間を持つことがあるケースが見出されて、新たなスイッチや超高速光スイッチ、量子情報処理キュビットなどとして利用する可能性が指摘されている。電子のスピンがコヒーレントである長い時間、フェムト秒光パルスにより上向きスピンと下向きスピンの任意の線形結合状態を形成し、これをコヒーレント制御することができることで、光パルスの時間幅だけで決まる超高速の光スイッチ、量子情報処理キュビットにすることができる。 （２）巨大磁気抵抗を示す物質の研究 　磁性イオンを含む磁性半導体や磁性酸化物で巨大磁気抵抗を示す物質やナノ構造物質が見出されている。こうした物質は磁気センサーや磁場による伝導スイッチとして有用で、物質の探索や構造の最適化の研究が必要である。 （３）大きなファラデー回転を示すナノ構造の研究 　ファラデー回転は光アイソレーターとして使える他にない特性であり、ファラデー回転を利用した光アイソレーターは光通信のあらゆるシステムに組み込まれている。光情報通信の波長に応じた大きなベルデを持つ磁性半導体ナノ構造は特に注目すべき材料で、優れた特性をもつ材料を見出す必要がある。 （４）ナノ構造におけるスピン量子物性の研究 　電子がスピン状態を保ったままマクロなスケール伝播するとスピン偏極電子の注入と制御を用いた各種のスピントランジスタなどの新素子の可能性がある。また、単電子動作する磁性体ナノ構造では、電子スピンの状態が電気伝導を支配してくる。この現象は極めて敏感な磁気センサーや磁気メモリを可能にする。こうした課題は、可能性の大きな重要な研究であり、推進すべき課題である。 （５）新しいナノスピンエレクトロニクス材料の探索 　希薄磁性半導体、有機分子、金属ナノ構造のネットワークや量子ドットのネットワークにおいて新しいテラヘルツ帯光素子や磁気記録媒体などに使えるナノスピンエレクトロニクス材料が見出される可能性がある。 ６．取り組みにあたっての留意事項 　本分野は物理・物質科学・応用物理・電子工学・情報科学の専門家が連携を取り研究開発を行う必要がある。

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１．分野名　（２３）プログラム自己組織化 ２．分野別計画検討者 検討担当委員： 川合知二 　大阪大学産業科学研究所教授 魚崎浩平 　北海道大学大学院理学系研究科教授 柳田敏雄 　大阪大学大学院医学系研究科教授 意見聴取者   ： 山下一郎 　松下電器産業（株）先端技術研究所主任研究員 ３．当該分野の概要 （１）専門的概要説明 　DNAの遺伝プログラムによってタンパク質が合成され、これらが相互作用を通して自己組織化することで生体が形成される。このようなプログラムにもとづく自己組織化現象をコンセプトとした、ナノ構造制御の物質・材料構築の新概念を創出するとともに、これらに基づいた素子、システム創成を目的とする。 個人のDNAの遺伝情報をチップに埋め込んだDNAチップやバイオチップによるオーダーメイド医療の実現や、これらのチップを利用して生体が行っているような遺伝情報（プログラミング）に従った自己組織化により、生体を越える分子モータ、分子デバイス、分子構造体を構築することを目指す。 （２）一般向け概要説明 　人間は、たった１つの細胞（受精卵）から出発し、細胞分裂を繰り返して成長していく際に遺伝子にインプットされたプログラミング情報に基づき、目や心臓や手足が作られて、約６０兆の細胞で構成される高機能かつ精緻な構造体となる。このように優れた物質構築機能を見習い、プログラミングに従って原子・分子単位で制御された物質（材料）合成（ボトムアップ）により、生体を凌ぐ分子モータや分子デバイス、あるいは五感センサーや脳型デバイス等の人工生体情報材料を作る。   DNAチップやプロテインチップをより発展させたバイオチップにより、オンチップに個々の生体の機能を築いていく。これらは検査や診断に留まらず、検出した遺伝情報等をもとに論理判断・予測等のインテリジェントな機能を併せ持つ。チップ上に個々人の情報がインプットされており、メディカルな情報、嗜好情報等が組み込まれており、個人に適したオーダーメイド、オンデマンドの快適な生活環境が享受できる。 ４．現状及び実用化・産業化の具体的目標並びに目標達成時期の目途 （１）現状 　一端をチオール化したアルキル鎖を持つ分子の金表面上への自己組織化単分子膜（Self-assembled-monolayer:SAM）など単一種類の原子・分子の固体表面上での自己組織化や、最近は複数の分子種を構造制御しながら配列しようとする研究がなされている。 　一方、半導体や機能性酸化物の分野では、物理的な設計指針から決定されたプログラミングに基づき、原子層レベルでの薄膜結晶成長技術により人工格子が形成されている。この時の各層における２次元的結晶成長は、個々の原子のもつ自己組織化特性に従っている。これらの技術は現在、磁気ヘッド用の巨大磁気抵抗素子や衛星通信用のHEMT素子に適用されている。 （２）「実用化・産業化の具体的目標並びに目標達成時期の目途」 分子モータ、分子デバイス、分子構造体の開発 　タンパク質複合体や人工分子を機能デバイスとして発展させていくためには、必要最小限の要素を高密度に集積していく必要がある。この際に自己組織化特性を活用する。生体が行っているようにプログラムに沿った自己組織化で、生体を構成する機能部品を人工的に作る。目標達成時期は８〜１０年、実用化にさらに５〜１０年を目安とする。目標達成により、生体を越える分子モータ、分子デバイス、分子構造体が期待される。 人工生体情報材料の開発 　我々生体は、目で光情報を認識し、電気的・化学的信号により情報が脳に伝達することにより、判断、記憶している。無機・有機物質の高機能物性を利用し、それら部品をある順序に沿って原子・分子スケールで組みあわせるプログラム自己組織化にもとづき、人工生体材料、超五感センサー・脳型メモリを構築する。目標達成時期は8〜13年、実用化にさらに５〜１０年を目安とする。目標達成により、高機能マンーマシンインターフェースの実現や高性能ロボットへの搭載が期待される。 バイオチップ、ヘルスケアチップの開発 　ゲノムの塩基配列の個人差で、１０００塩基に１カ所以上、ゲノム全体では数百万カ所以上あると考えられており、この差が主種の病気へのかかりやすさや、薬の効き方に影響を与えている。ポストSNPとして、遺伝情報をDNAチップやバイオチップより発展させ、オンチップに個々の人の情報を構成する。目標達成時期は５〜１０年、実用化にさらに５〜１０年を目安とする。目標達成により、オーダーメイド医療や日常生活の個別管理等が期待される。さらに、これらの情報等をもとに論理判断・予測等の機能や、塩基相補性・酵素反応を利用した演算やメモリ機能等の知能を持ったインテリジェントバイオチップ開発へと発展させていく。 ５．研究の概要 （１）固体表面上での有機分子、生体分子のプログラム自己組織化メカニズムの解明と応用 　タンパク質複合体を機能デバイスとして発展させていくためには、必要最小限の要素を高密度に集積していく必要がある。この際に時間的空間的スケールでのプログラムに沿った自己組織化特性を活用する。生体が行っているようにプログラム自己組織化で、生体を越える分子モータ、分子デバイス、分子構造体を作る。 （２）プログラム自己組織化プロセスを用いた人工生体情報材料合成 　光機能に優れた分子や、適応学習、メモリ機能を有する強誘電体等、無機・有機物質を原子・分子スケールで組みあわせるプログラム自己組織化にもとづき、人工生体材料を合成し、五感センサー・脳型メモリへ適用する。 （３）多種類原子および分子のプログラム自己組織化とバイオチップへの応用 　遺伝情報をはじめとした個人のデータがプログラミングされているだけでなく、演算やメモリ機能までも有するような、知能を持ったバイオチップ（インテリジェントバイオチップ）の合成 （４）自己組織化の時間分解計測 　原子レベルの空間分解能を有するプローブ顕微鏡を用いて、分子等が自己組織化形成過程を時間分解で計測する技術を確立する。 （５）プログラム自己組織化の理論構築 　有効な機能を持つ物質の発現（生体形成等）を担う自己組織化を支配するプログラミングを理解するためのモデル形成、遺伝的アルゴリズム等に変わる理論を構築する。 ６．取り組みに当たっての留意事項 　本分野は生物・物理・化学および微細加工・集積化技術に代表される半導体工学分野等の研究者が、その専門性を融合させることが求められる。また産官学が各々の得意分野を生かし、共同によりその進展が初めて可能にある分野である。次世代のDNAチップ、バイオチップに対する重要性、社会的要請も強い。ゲノム分野で欧米に遅れをとった日本の命運をかけて、今後のオーダーメイド医療、高齢化社会における、中枢分野となる本分野の研究推進を強力に推進すべきである。

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１．分野名　（２４）ナノ新計測 ２．分野別計画検討者 検討担当委員： 川合真紀 　理化学研究所主任研究員 塚田　捷 　東京大学大学院理学系研究科教授 意見聴取者   ： 青野正和 　大阪大学大学院工学研究科教授 蔡　兆申 　日本電気（株）基礎研究所主管研究員 ３．当該分野の概要 （１）専門的概要説明 　構築された個々のナノ構造の機能を計測するための方法を確立し、ナノテクノロジーに共通な計測基盤を供する。ナノメートル領域から、単一分子や分子内構造、さらには単一原子を対象とし、原子配置、元素検出、電子状態、振動状態、スピン状態、量子状態などに加え、ナノ構造の機能そのものを計測する手法を開発する。さらに機能の動的現象の検出を対象に、個々のナノスケール構造の短い時間応答の検出法を確立する。 （２）一般向け概要説明 　微細なナノメートル領域で、意図した機能を発現する構造をつくる方法は大きな発展を見たが、個々のナノ構造や結合ナノ構造の状態や機能を直接計測する新たな手法開発が必要である。ナノ構造の伝導特性、磁性、誘電特性、個々の原子の元素分析など、計測方法を開発し、つくられたナノ構造の状態を把握すると同時に新たなナノ構造創成に寄与する。走査トンネル顕微鏡の開発により、原子・分子単位での物質操作が広く進展したように、新しい測定法の開発は物質科学の新たなブレイクスルーに繋がる重要な研究分野である。 ４.現状及び実用化・産業化の具体的目標並びに目標達成時期の目途 （１）現状 　走査トンネル顕微鏡に代表される、局所プローブ法は、その発明以来急速な進歩を遂げ、固体表面上に固定された個々の分子の姿を直接観測できるだけでなく、その電子状態の空間分布やさらには個々の分子の振動スペクトルまでも観測できるようになってきた。１９９０年代前半には、個々の分子の姿を実空間で捕らえ、ひとつひとつの分子の観測を通じて固体表面での吸着位置や、分子軌道の広がりが議論できる程度であった。１９９０年代後半では、分子内の電子状態の空間分布を捕らえ、吸着分子系の電子状態の広がりや対称性を議論できるようにり、さらには、吸着分子系の振動状態との共鳴トンネル現象を空間的に捕えることができるようになり、原子スケールでの物性議論に新しい展開が期待されるようになった。一方、原子間力顕微鏡の応用展開も目覚ましい発展をとげ、探針と試料との間に生じるピコニュートン程度の小さな相互作用の変化を捕られるようになった。探針の素材を工夫することにより、原子間に生ずる微小な相互作用を原子レベルの位置分解能で検出できるようになった。 　このような技術革新を背景に、原子・分子を単位とした操作技術は発展し、現在のナノテクノロジーの基礎をなしている。今後さらに、ナノメートル領域の機能を直接計測する手法や、高速過程の検出法、原子レベルでの元素同定法などの開発が望まれる。また、既に実現している技術に関しても、ナノテクノロジーの実用化に向けこのような極限技術の全てが汎用的に使えるようになるにはさらなる技術開発が必要である。 （２）実用化・産業化の具体的目標及び達成時期の目途 　これまでのナノテクノロジーの研究を強力に牽引してきた最重要基盤技術としてのプローブ顕微鏡は、今後のナノテクノロジーの急速な発展に対応して質的に進化することが要求されている。プローブ顕微鏡に限らず、位置及び時間の分解能を飛躍的に高めたナノスケール計測法の開発や、単一スピン状態の検出、ナノ構造の機能を直接計測する手法の開発など達成すべき課題は多い。 ナノメートル領域の機能計測 　ナノテクノロジーにおいて、様々な意図した構造を構築する方法は大きな発展を見たが、構築されたナノ構造の物性や機能を計測する方法の開発が急務である。多探針STMの開発など、既に開始され国際的な開発競争にある試みもあり、研究推進が急務である。 　非接触原子間力顕微鏡の応用は、さまざまな機能計測の道をひらくだろう。機能探針による複合機能計測や極微力場を検出する顕微鏡の開発により、小さな相互作用を検出できるようになれば、各種の機能評価が可能となろう。また、プローブ顕微鏡以外の各種顕微測定法の開発も望まれる。これによって、ナノ構造の機能を直接計測できるようになり、有用な機能発現に適したナノ構造の物質設計も可能となる。目標達時期は１０年後、実用化にはさらに５年必要である。 高分解能ナノスケール計測 　サブオングストロームの空間分解能で引力や反発力を検知する計測法が開発されると、絶縁性の材料に対しても、STMの空間分解能に匹敵する微細構造の情報が得られるようになり、バイオ材料がデバイス素材として計測にかかるようになる。また、微小なエネルギー差を検知するシステムにより、単一スピンの計測などが可能になる。このような高精度のナノスケール計測が実現すると、これまでの電荷を媒介としたデバイスを越えたシステムの創成に寄与する。目標達成期間は１０年、実用化はさらに５年 極短時間分解能ナノメートル領域計測 　原子や分子のダイナミクスはピコ秒、電子のダイナミクスはフェムト秒の時間分解能で観測できる。ナノ構造電子ダイナミクスや、光応答など、様々な機能を解明するための道具だてが揃うことになり、機能解明に大いに寄与できる。目標達成期間は１０年。 ５．研究の概要 　研究内容の例示 （１）多探針走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の開発と利用 　独立に駆動できる２，３，４本の導電性の探針を持つＳＰＭの開発である。これによって、ナノ構造、ナノデバイス電気特性の評価(4端子評価)、またそれら素子の局所ゲート電圧特性や局所磁場特性の評価(３端子または5端子)を行うことができ、ナノ構造に注入された電子の拡散の速度や、分布の計測、ナノ構造の能動的機能の計測、化学反応の伝播の観測など、様々な計測が可能になる。 （２）ナノスピン顕微鏡（スピン分布） 　スピンの空間分布をナノスケールから原子スケールの空間分解能で観測できる顕微鏡の開発。感度も１個のスピンを検出できることが望ましい。幾つかのスピン偏極走査トンネル顕微鏡が開発されているが、信頼性、安定性、操作性、感度などの点でまだ不十分であり改良が必要である。さらに、それらとは異なる新しい方法の開拓を積極的に進めるべきである。 （３）ナノオプティカル計測研究 　ナノスケール領域において極短時間分解能のオプティカル計測を行いうる方法の開発とその利用に関する研究を行う。電子デバイスの周波数特性を支配する電子の散乱時間と散乱長に匹敵する、フェムト秒の時間分解能およびナノメーターの空間分解能で電子状態を計測することを目的とする。さらに、電子遷移によって誘起される光の直線偏光ならびに円偏光を計測して電子状態の軌道対称性やスピンに関する情報を得る方法も確立して利用する。 （４）ナノ力学顕微鏡による機能計測研究 　非接触原子間力顕微鏡は絶縁基板や、その上に吸着した分子、原子ワイアなどの原子尺度構造や力学的特性を測定するのに極めて有力である。STM、ＳＮＯＭなどとの複合探針により、電子的、光学的、誘電的性質などと関連する物性および、原子尺度構造や力学的性質が観測できる上、単分子電子デバ イスの解析、さらにカンチレバーの振動エネルギーの散逸測定から、ナノ構造の動力学的性質の原子尺度情報がえられ、これを用いた構造性御も可能となる。また探針の構造と原子種に選択的に敏感なことを利用して測定対象の原子種、官能基などの同定が可能となります。これらは生体分子の３次元構造と機能制御に係わるバイオインフォーマテイックスとう分野の強力な実験観察手法になる。 （５）新しい顕微鏡システムの開発研究 　微細なナノメートル領域の機能を検出する新しい顕微鏡システムの開発研究は、将来のナノテクノロジー研究の発展に大いに寄与するものである。X線顕微鏡を利用しての元素分析、微細領域からの磁気共鳴など、材料機能を検出する上で有用な情報を得る手法となる。 ６．取り組みにあたっての留意事項 　ナノ計測は、ナノテクノロジー全ての発展の根源に関わる共通基盤研究である。新しいナノ構造や機能が開発されると、それに伴い必然的に新しい計測方法の開発が臨まれるようになる。したがって、研究対象も常に他の分野の発達状況に併せ柔軟に対応すべきである。また、ＳＴＭの発明がそうであったように、新しい計測法が開発されると新しい物質科学分野が開けてくる。したがって、双方向の情報発信が大変重要である。

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