理系論文まとめ41回目 Nature communication 2023/7/21
液体ベースのシステムでシリコンフォトニクスを使ったリザーバコンピューティング！
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNature communicationです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
Probing the symmetry breaking of a light–matter system by an ancillary qubit
光-物質系の対称性の破れを補助量子ビットで探る
「量子真空効果を利用したパリティ対称性の破れを観察した。」
Surface coupling in Bi2Se3 ultrathin films by screened Coulomb interaction
スクリーンクーロン相互作用によるBi2Se3超薄膜の表面結合
「トポロジカル絶縁体の超薄膜の電子的性質を理解するための新たな理論フレームワークを提供し、既存の単一粒子バンド理論の限界を明らかにしました。」
Atomically precise nanoclusters predominantly seed gold nanoparticle syntheses
原子レベルで精密なナノクラスターが金ナノ粒子合成の主な種となる
「シード粒子の正確な構造を特定し、それが金ナノ粒子の形状制御に重要であることを明らかにした。」
SHARPER-DOSY: Sensitivity enhanced diffusion-ordered NMR spectroscopy
SHARPER-DOSY：感度を高めた拡散秩序NMR分光法
「新しいNMR手法により、わずかな物質でもそのサイズを効率的に推定でき、時間と物質を節約することが可能となりました。」
Vertically grown ultrathin Bi2SiO5 as high-κ single-crystalline gate dielectric
超薄膜Bi2SiO5を垂直成長させた高-κ単結晶ゲート絶縁膜
「CVD法により成長させた超薄型Bi2SiO5結晶を使用した、高性能な2D電子デバイスを作成するための新たな効率的な方法を提示しています。」
Optofluidic memory and self-induced nonlinear optical phase change for reservoir computing in silicon photonics
シリコンフォトニクスにおけるリザーバーコンピューティングのための光流体メモリと自己誘起非線形光学相変化
「液体膜の自己誘発相変化効果を利用して非線形光学効果を増幅し、超小型の空間領域で高速で効率的な計算を可能にする新しい光流体シリコンフォトニクスシステムを実現しました。」
要約
光-物質系の対称性の破れを補助量子ビットで探る
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40097-0
超伝導量子回路を使って深い強結合領域での量子真空効果を実験的に探求する研究を行い、これによりフラックスキュービットと共振器の深く強く結合した状態で発生する奇妙な量子真空効果を観察した。
a Optical image of the device. The lumped-element resonator is composed of two identical large “fishbone” interdigitated capacitors and a center conductor in between. The flux qubit consists of three identical larger JJs and a smaller JJ reduced by a factor of 0.42 in area. To enhance the coupling between the flux qubit and the lumped-element resonator, an even larger JJ (with its area doubled) is added to the qubit loop and shared with the center conductor. Extending to the left (right) is another section of 50 Ω coplanar-waveguide which couples to the input signal line (the Xmon qubit). b Zoom-in optical image of the area denoted by the green rectangular box in a. c Circuit diagram of the device (cf. Supplementary Fig. 1).
①事前情報 :
超伝導量子回路は、量子コンピューティングに適した実験可能なシステムとして広く認識されている。それは個々の量子ビットに対して超強力な、または深い強結合を実現することが可能であり、これにより新しい量子光学現象が生じる可能性がある。
②行ったこと :
フラックスキュービットと共振器を深い強結合領域で結合させ、探索量子ビット（Xmon）のパリティ対称性の破れを観察した。
③検証方法 :
超伝導回路のフラックスキュービットと共振器を使用し、深い強結合領域でのキュービットと共振器の相互作用を実験的に実現した。次に、Xmon量子ビットを探索量子ビットとして、そのパリティ対称性の破れを観察した。
④分かったこと :
深い強結合領域で、フラックスキュービットと共振器がパリティ対称性を破ることが確認された。これは、Higgsメカニズムと同様に、真空期待値が非零である対称性が破れた真空によって誘導される。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
強結合領域でのキュービットと共振器の相互作用を実現し、その結果、Higgsメカニズムのようなパリティ対称性の破れを観察したこと。
応用先
量子コンピューティング技術の開発に貢献する可能性があります。具体的には、新しい量子アルゴリズムや新しい種類の量子エラー訂正コードの開発につながる可能性があります。
スクリーンクーロン相互作用によるBi2Se3超薄膜の表面結合
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40035-0
トポロジカル絶縁体（TI）の超薄膜の表面状態のカップリングを解析し、単一粒子バンド理論が不十分であることを示しました。
a Feynman diagram of the self-energy used in the Dyson equation. The wavy lines and arrows represent boson lines and fermion lines, respectively. The polarization function of Dirac fermions is made of the fermion lines on the opposite surface. b ARPES spectra of 27 QL Bi2Se3 sample. The black dots in b are the peak positions of the surfaces state fitted by MDCs with the Lorentzian function, and the red dotted line is the linear fitting results of two sets of black dots. EB is the binding energy and k|| is the in-plane wave vector.
①事前情報 :
TIの表面状態は時間反転対称性によって保護され、強いスピン軌道結合と非零のZ2数を持つことで知られています。特に、Bi2Se3は、単一粒子バンド理論を用いてディラック粒子の分散関係を予測し、その予測は実験的に観測されました。
②行ったこと :
Bi2Se3の超薄膜での表面状態のカップリングを再構築し、厚さ依存性のディラック点の位置と質量ギャップをHartree近似と自己一貫性ギャップ方程式を用いて議論しました。
③検証方法 :
ディラック点の位置と質量ギャップの大きさは、ARPESスペクトルから抽出され、理論結果と比較されました。
④分かったこと :
6 quintuple層未満の厚さでは、質量ギャップの大きさが実験結果とよく一致しました。また、エネルギーギャップは、カイラル対称性の破壊に由来する可能性があることが示されました。
⑤独創的なところ :
従来の単一粒子バンド理論が不十分であると認識し、表面状態のカップリングを相互作用するクーロンポテンシャルとして再定義し、さらに一貫性を持つギャップ方程式で扱う新しいアプローチを取り入れました。
応用
この研究は、トポロジカル絶縁体の超薄膜や積層系のクォンタムビヘイビアをより正確に記述し予測するための新しい手法を提供します。これは、量子情報科学やスピントロニクスなどの分野での応用に役立つ可能性があります。
原子レベルで精密なナノクラスターが金ナノ粒子合成の主な種となる
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40016-3
本研究では、シードと呼ばれるナノ粒子を用いた金ナノ粒子の形状制御に焦点を当て、特にシード粒子の特性について解明した。
Reactions proceed via the rapid reduction of a gold halide salt a to nucleate small seed particles b, which then act as heterogeneous nucleation sites in a subsequent reaction to facilitate the controlled growth of particles with well-defined shapes c. This work identifies the seed intermediates as an atomically precise cluster with 32 gold atoms (yellow), 8 halides (blue), and 12 alkyl quaternary ammonium (AQA)-halide bound ion pairs (purple) as surface ligands.
事前情報
異形状の金属ナノ粒子は容易に合成でき、安定性が高く、サイズや形状に依存した性質を持つ。これらの粒子の合成には、シードと呼ばれる小さなナノ粒子が用いられるが、その機構は完全には解明されていない。
行ったこと
シード溶液中の主成分が原子レベルで正確な金のナノクラスターであることを特定した。
検証方法
金塩とハロゲン塩を混合し、その成分を詳細に解析することでシード粒子の構造と化学的性質を特定した。
分かったこと
特定されたシード粒子は、32個の金原子、8個のハロゲン、12個のニュートラルリガンドから成り立つ。このシード粒子を用いた異形状のナノ粒子の合成は、より狭いサイズ分布と少ない不純物粒子を示し、このクラスターが形状が整ったナノ構造の成長の前駆体として重要であることが示された。
この研究の面白く独創的なところ
金ナノ粒子の形状制御に用いられるシードの正確な構造を特定したことで、粒子成長メカニズムの理解が深まり、金ナノ粒子の合成に新たな進展が見込める。
応用
ナノ粒子の形状制御により、触媒、電子デバイス、生物医学的応用など、広範な分野での利用が期待できる。
SHARPER-DOSY：感度を高めた拡散秩序NMR分光法
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40130-2
本研究では、核磁気共鳴（NMR）を用いた新たな液体状態の測定方法を開発し、物質の拡散係数を非常に高感度で測定することが可能となりました。これにより物質のサイズを、わずかな量の物質でも効率的に推定することが可能となります。
a Pulse sequence of a non-selective SHARPER experiment (for explanation of symbols and details see Supplementary Note 1.1); b overlay of a 400 MHz 1D 1H NMR spectrum (blue) of 1 in D2O, and its collapsed spectrum (red) acquired using, τ = 200 μs and 60 μs 180° refocusing pulses. Both real and imaginary SHARPER time domain points were used, no line broadening was applied. The 5.6–6.4 ppm region was scaled up vertically to illustrate that both spectra have identical noise levels; c expansions of the SHARPER singlet and the CH3 doublet from the 1D spectrum using identical horizontal scales; the CH3 signal was scaled up 25 times to equal the height of the SHARPER signal.
①事前情報：
核磁気共鳴（NMR）の感度は、新たな洗練されたNMR実験の設計により、その発見以来、順調に向上してきました。特に、物質の拡散係数の測定は、その物質の分子サイズを推定する重要な手段であり、これまでも多くの研究で活用されてきました。
②行ったこと：
我々は新たな液体状態のNMR手法を開発し、純粋な化合物の拡散係数を測定する感度を大幅に向上させました。この方法では、磁場非均一性に対する不変性を持つ狭く強いシングレットを分析して拡散係数を測定します。
③検証方法：
非選択的な180°または90°パルスによって分離された短い（<0.5 ms）スピンエコー間隔に埋め込まれた信号収集を通じてシングレットを得ました。これにより、共鳴の化学シフト進化とJ結合による分裂が抑制されます。
④分かったこと：
この新たな手法により、感度が10-100倍向上し、それにより時間を100-10000倍節約することができました。また、高磁場クライオプローブNMR分光計を用いることで、数百ナノグラムの物質でも数分で中規模の有機分子の拡散係数を測定することが可能となりました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
この新たな手法により、感度が10-100倍向上し、それにより時間を100-10000倍節約することができました。また、高磁場クライオプローブNMR分光計を用いることで、数百ナノグラムの物質でも数分で中規模の有機分子の拡散係数を測定することが可能となりました。
応用
本研究で開発した高感度NMR手法は、製薬業界や物質科学の分野で大いに活用されることが期待されます。特に、新薬の開発や物質の性質を理解するための研究で、物質のサイズや形状を効率的に推定することが可能となります。
超薄膜Bi2SiO5を垂直成長させた高-κ単結晶ゲート絶縁膜
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40123-1
本研究では、超薄型Bi2SiO5結晶を2D半導体の効果的なゲート誘電体層として使用する方法を紹介しています。これらの結晶をCVD法で合成する方法は、他の2D材料との統合を大幅に容易にし、電子デバイスの性能を向上させます。
a Crystal structure of Bi2SiO5 (Cc, a = 15.12 Å, b = 5.44 Å, c = 5.29 Å, β = 90.07°) with alternatively stacked [Bi2O2]n2n+ and [SiO3]n2n− layers. b Calculated band structure and density of states (DOS) of Bi2SiO5 with a direct band gap of ~3.79 eV. The first Brillouin zone is inserted in the right panel. c Typical optical micrograph (OM) image of square Bi2SiO5 nanoplates showing an in-plane growth mode on mica substrate. d OM images of Bi2SiO5 nanoplates with thickness-dependent color contrasts on mica. The inset shows the typical atomic force microscope (AFM) image of an ultrathin Bi2SiO5 nanoplate with a thickness of 3.9 nm (5 layers) and an atomically smooth surface. e Scanning electron microscopy (SEM) image of 2D Bi2SiO5 crystals vertically grown on mica substrate. f Thickness-dependent color contrasts for Bi2SiO5 nanoplates transferred onto SiO2/Si substrate by a polymer-free mechanical pressing. The AFM image of a 7.5-nm-thick Bi2SiO5 nanoplate was inserted in f. g Typical AFM image of a terraced Bi2SiO5 nanoplates with a clear step of 0.76 nm. h, i Cross-sectional atomic-resolved high angle annular dark field (HAADF) images (left) and corresponding fast Fourier transform (FFT) diffraction spots (right) of chemical vapor deposition (CVD) grown Bi2SiO5 nanoplates taken along the zone axes of [010] (h) and [011] (i), respectively.
①事前情報：
2D半導体は先進的なトランジスタを作るために非常に有望ですが、その最適な性能は互換性のある高-k誘電体に依存しています。単結晶ゲート絶縁体の利点にもかかわらず、その合成はしばしば課題を伴います。
②行ったこと：
化学気相堆積（CVD）法を用いて超薄型Bi2SiO5結晶を成長させました。そして、これらの結晶を2D半導体のゲート誘電体層としてテストしました。
③検証方法：
Bi2SiO5ゲート化MoS2電界効果トランジスタを作製し、そのヒステリシス、ドレイン誘導障壁降下、およびその他の性能特性を調査しました。
④分かったこと：
超薄型Bi2SiO5結晶は高い誘電率（>30）と大きなバンドギャップ（〜3.8 eV）を示しました。Bi2SiO5ゲーティングのMoS2トランジスタは、ヒステリシスが極めて小さく、ドレイン誘導障壁降下が低いことを示し、優れた性能を示しました。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
垂直方向に成長させたBi2SiO5ナノフレークの新たな利用と、MoS2などの他の材料との理想的なファンデルワールス統合は、2D電子デバイスの性能を大幅に向上させます。また、これらの結晶はポリマーフリーの機械プレスによって他の基板に簡単に転送することができます。
応用
この研究は、キャリア移動度が高く、ゲート制御が改善された性能の高い2D電子デバイスの開発に利用することができます。
シリコンフォトニクスにおけるリザーバーコンピューティングのための光流体メモリと自己誘起非線形光学相変化
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40127-x
本研究では、光流体シリコンフォトニクスシステムを用いて、非線形光学効果を一桁以上増幅し、非線形アクチュエータとメモリエレメントとして機能する、自己誘発相変化効果を実証しました。これにより、現行の液体ベースのシステムに比べて約5桁小さい空間領域でのレザボアコンピューティングを実現しました。
a Schematic description of the experimental system allowing to couple continuous wave (CW) laser source of wavelength 1550 nm into SiPh chip, and detect interference fringes shift due to liquid deformation. b Schematic illustration of the normal section presenting 220 × 500 nm active WG, integrated 20-μm-thick gold patch (with 5-nm-thick chromium adhesion layer), as well as optically generated surface tension gradients triggering TC-driven thin liquid film deformation. The corresponding changes of the overlap of the TM mode with air leads to optical phase change and is detected by shift of interference fringes in the IR camera. c Top camera image of the photonic Young Interferometer (YI) circuit presenting: Y-junction, liquid cell of dimensions 50 μm × 50 μm × 3 μm hosting the active WG with liquid, and the 20 μm separated output WGs ports emitting into the free space. d SEM image of the etched cell in the thermal oxide cladding used as a liquid chamber. e Higher magnification of the SEM image showing the metal patch on top of the WG. f Experimental results presenting phase difference between the two arms of photonic YI as a function of femtoliter droplet deposition process allowing to fill the etched cell with thin silicone oil film (see Methods subsection “Liquid deposition”); top camera presents the liquid cell at specified time moments with purple disks indicating the corresponding phase change values. See SM and video V1 for experimental demonstration of typical drop-by-drop deposition process. g 3D profile of liquid surface measured by White Light Interferometry (see Methods subsection “Optical setup and phase shift extraction”). h Liquid Thickness extracted from the 3D profile, indicating about 0.5-μm-thick film in the center region of the liquid cell.
事前情報
光-固体相互作用はナノファブリケーション方法の進歩により非常に注目されてきましたが、液体の豊富な現象と輸送体系を利用する光-液体相互作用の探求は魅力的な研究方向であり、またレザボアコンピューティングは物理システムがレザボアとして機能し、入力信号を非線形に変換する可能性を提供します。
行ったこと
理論的に提唱された光-熱-液体の非線形非局在相互作用メカニズムを元に、自己誘発相変化効果を実験的に実証しました。この効果は、熱毛細効果による液膜の表面幾何学の変化と、シリコン導波路で伝播するフォトニックモードとの相互作用に依存します。
検証方法
1550 nmの連続波レーザーを用いてシリコン導波路にフォトニックTMモードをカプリングし、光位相変化を検出しました。さらに、光パルスの大きさの情報が数十msで液体変形に保存され、デジタルXORタスクおよび手書き数字の認識タスクを実行できることを実証しました。
分かったこと
本実験では、液体膜の表面幾何学の変化とシリコン導波路内のフォトニックモードの相互作用により、自己誘発相変化効果が起こることが明らかになりました。この効果により、非線形アクチュエータとメモリエレメントとして機能し、約5桁小さい空間領域でレザボアコンピューティングが可能になりました。
この研究の面白く独創的なところ
液体膜の自己誘発相変化効果を利用して非線形光学効果を増幅し、非線形アクチュエータとメモリエレメントとして動作することが可能になった点が特筆すべきです。これにより、既存の液体ベースのシステムに比べて格段に小さい空間領域での高速で効率的な計算が可能となりました。
応用
この研究は、光流体シリコンフォトニクスシステムを用いて情報処理をより効率的に行うための新しい手法を提供します。特に、コンピュータビジョンやオブジェクト検出などのタスクに適用可能で、これまで通常のフォン・ノイマンアーキテクチャでは解決不能だった問題を解決できます。
最後に
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