論文まとめ255回目 Nature ペタビット容量を持つ3Dナノスケール光ディスクメモリ！？など
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
A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity
ペタビット容量を持つ3Dナノスケール光ディスクメモリ
「データの山を小さな光ディスクにぎゅっと詰め込む、未来の記憶術。」
Prevalence of persistent SARS-CoV-2 in a large community surveillance study
大規模なコミュニティ監視研究における持続するSARS-CoV-2の普及
「COVID-19がなかなか治らない人がいて、その理由を探ったら、ウイルスが長期間体内に残り続けていることがわかったんです。」
Room temperature operation of germanium–silicon single-photon avalanche diode
ゲルマニウム・シリコン単一光子アバランシェダイオードの常温動作
「これは、特別なカメラのレンズみたいなもので、暗闇でもほんのわずかな光を捉えることができる超高性能な技術です。これまではとても寒い場所でしか使えなかったけど、今回の技術なら室温でも大丈夫！」
Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength
高変形性と高強度を持つねじれ層ボロンナイトライドセラミック
「今回の研究は、まるでゴムのように伸びるけれども、鉄のように強い特殊なセラミックを作り出しました。」
Synaptic wiring motifs in posterior parietal cortex support decision-making
後頭頂葉皮質のシナプス配線モチーフが意思決定を支援
「脳の一部が、パズルを解くように情報をつなぎ合わせて、私たちが決断するのを助けていることを発見しました。」
要約
ペタビット級の巨大なデータ保存容量を実現した3Dナノスケール光ディスク
従来のデータ保存技術が直面する高エネルギー消費、高運用コスト、短い寿命といった問題に対し、数百層に及ぶ3次元の記録構造を用いて、光データ保存（ODS）の容量をペタビットレベルまで拡大し、光学的回折限界を超える超解像度の記録スポットを実現した。
事前情報
データセンターのエネルギー消費と運用コストの高さ、および保存メディアの寿命の短さが課題となっている。
行ったこと
集積発光現象を利用した光記録媒体を開発し、フェムト秒レーザー光によって光学的に刺激することで、3次元に数百層の記録を可能にしました。
検証方法
集積誘発発光染料をドープした高透明で均一なフォトレジストフィルムを使用し、別のビームで抑制することが可能な、超解像スケールの記録スポットを作成する技術を開発しました。
分かったこと
この技術により、ナノスケールのディスクを積み重ねることでエクサビットレベルのデータ保存が可能となり、限られたスペース内で大量のデータを保存するためのビッグデータセンターに不可欠であることが示されました。
この研究の面白く独創的なところ
光学的回折限界を超える超解像度の記録技術を用いて、従来にない高密度で大容量のデータ保存を可能にした点です。
この研究のアプリケーション
この技術は、データセンターでの省スペースかつ長期間のアーカイブデータ保存に革命をもたらす可能性があります。
著者
Miao Zhao, Jing Wen, Qiao Hu, Xunbin Wei, Yu-Wu Zhong, Hao Ruan & Min Gu
更に詳しく
従来のデータ保存技術は、高いエネルギー消費、運用コストの増大、そして比較的短期間での寿命終了という三重の問題に直面していました。これらの問題に対処するため、研究チームは光データ保存（ODS）技術の能力を革新的に向上させるアプローチを採用しました。具体的には、光学的回折限界を超えることで知られる従来の二次元平面の枠を超えて、データを保存するための層を数百にも及ぶ三次元構造へと拡張しました。この技術により、ペタビット（1ペタビットは1000テラビットまたは1,000,000ギガビットに相当）という驚異的なデータ容量を実現しました。この巨大な容量は、従来の技術では達成が困難だった光データ保存の新たな地平を開きました。
このブレイクスルーは、特殊な光記録媒体の開発により可能となりました。この媒体は、集積誘発発光（AIE）染料を含むフォトレジストフィルムで、フェムト秒レーザー光によって光学的に刺激されることで活性化します。このフィルムは高い透明性と均一性を持ち、超解像スケールの記録スポットを作成するために別の光ビームによって抑制することができます。これにより、光学的回折限界を超える記録密度が実現され、それぞれの記録スポットがより小さく、より密接に配置されることで、大幅にデータ容量を増やすことができました。
この技術の応用により、ナノスケールのディスクを積み重ねることでさらに大きなデータ容量、具体的にはエクサビットレベルの保存が視野に入ってきます。これは、限られた物理空間の中でのデータセンターの効率的な運用に革命をもたらし、長期間にわたるデータの保存に新たな可能性を提示しています。この技術は、データの急速な増加に伴うストレージのニーズを満たすための持続可能でコスト効率の高い解決策を提供します。
長引くCOVID-19感染が将来の流行を引き起こす可能性がある
この研究では、COVID-19の長期感染者がウイルスの貯蔵庫となり、将来のアウトブレイクや多様なウイルス系統の発生、長引くCOVID（長期COVID）の原因となる可能性があることを示しました。
事前情報
持続するSARS-CoV-2感染の人口における普及率、ウイルス負荷の動態、そして感染の経過における進化の動態はほとんど未知です。
行ったこと
全国感染調査の一環として収集されたウイルス配列データを使用して、少なくとも30日間高濃度でSARS-CoV-2 RNAが続く381人の個体を特定しました。
検証方法
これらの個体から得られたデータをもとに、感染の持続、ウイルスの進化変化、ウイルス負荷の動態、報告された症状の数、そして長期COVIDの普及率を分析しました。
分かったこと
持続感染を持つ個体は非持続感染者と比較して長期COVIDを自己申告する確率が50％以上高く、0.1～0.5％の感染が持続する可能性があり、通常は高いウイルス負荷が反跳し、少なくとも60日間続くことが推定されました。
この研究の面白く独創的なところ
一部の個体で見られる多数のウイルスアミノ酸置換は、SARS-CoV-2変異株の定義に関連する変異、モノクローナル抗体の標的部位、免疫不全患者で一般的に見られる変異を含んでおり、強い正の選択の期間を示しています。
この研究のアプリケーション
持続感染の理解、公衆衛生への影響、およびSARS-CoV-2の進化と流行の管理に対する洞察を提供します。
著者
Mahan Ghafari, Matthew Hall, Tanya Golubchik, Daniel Ayoubkhani, Thomas House, George MacIntyre-Cockett, Helen R. Fryer, Laura Thomson, Anel Nurtay, Steven A. Kemp, Luca Ferretti, David Buck, Angie Green, Amy Trebes, Paolo Piazza, Lorne J. Lonie, Ruth Studley, Emma Rourke, Darren L. Smith, Matthew Bashton, Andrew Nelson, Matthew Crown, Clare McCann, Gregory R. Young, Rui Andre Nunes dos Santos, Zack Richards, Mohammad Adnan Tariq, Roberto Cahuantzi, Wellcome Sanger Institute COVID-19 Surveillance Team, COVID-19 Infection Survey Group, The COVID-19 Genomics UK (COG-UK) Consortium, Jeff Barrett, Christophe Fraser, David Bonsall, Ann Sarah Walker & Katrina Lythgoe
更に詳しく
この研究により、COVID-19の感染が一部の人々の体内で長期間持続し、これが将来的に新たな流行の源やウイルスの多様な系統を生み出す可能性があることが明らかになりました。具体的には、少なくとも30日間高濃度のSARS-CoV-2 RNAが継続する381人の個体を特定し、この中で54人は少なくとも60日間ウイルスRNAが持続していました。これらの事例を「持続感染」と定義し、感染が続いている証拠として、ただし全てのケースで非複製RNAの持続を完全に除外することはできませんが、持続感染を持つ個体は非持続感染者と比べて長期COVIDを自己申告する確率が50％以上も高かったと報告されています。
研究では、0.1%から0.5%の感染が持続する可能性があり、これらの感染は通常、高いウイルス負荷が反跳し、少なくとも60日間続くことが推定されています。この長期間にわたる感染の中で、ウイルスはホストの免疫応答や治療による選択圧の下で進化し、いくつかの個体では強い正の選択の期間を示す多数のウイルスアミノ酸置換が確認されました。これらの置換には、SARS-CoV-2変異株を定義するもの、モノクローナル抗体の標的部位に関連するもの、免疫不全患者に一般的に見られるものが含まれており、ウイルスがどのようにしてホスト内で適応し、長期間生存するかを示しています。
この研究は、COVID-19の感染、流行、そして進化を理解する上で重要な意味を持ち、特に長期感染が公衆衛生へ及ぼす影響とその管理に対する洞察を提供します。さらに、長引くCOVIDの原因となる潜在的なメカニズムを明らかにし、将来的にこのような感染を治療または予防する戦略の開発に役立つ可能性があります。
常温で動作する単一光子検出技術の開発
従来の単一光子検出器は、極低温での動作や特殊な製造プロセスが必要でしたが、この研究では、ゲルマニウムとシリコンを使用して、常温で動作するCMOS互換の高性能単一光子アバランシェダイオード（SPAD）を開発しました。
事前情報
単一光子検出器は様々な研究分野での進歩に貢献してきましたが、従来のデバイスは極低温での運用やCMOS製造プロセスとの非互換性という問題を抱えていました。
行ったこと
ゲルマニウムとシリコンを用いたSPADを開発し、常温での運用を可能にしました。
検証方法
ダークカウント率、単一光子検出確率、タイミングジッター、アフターパルス特性時間、アフターパルス確率など、主要なパラメータを測定しました。
分かったこと
従来のゲルマニウムベースのSPADに比べ、ノイズ等価パワーを2～3.5オーダー向上させ、低いブレイクダウン電圧と小さな過剰バイアスで高性能な動作が可能であることを実証しました。
この研究の面白く独創的なところ
常温で動作し、CMOS製造プロセスと互換性があることで、従来では難しかった短波長赤外線（SWIR）センサーやイメージャー、フォトニック統合回路の日常生活への応用が見込まれます。
この研究のアプリケーション
日常生活における単一光子感度のSWIRセンサーやイメージャー、フォトニック統合回路の使用への道を開くことで、安全性と性能の向上を図ることができます。
著者
Neil Na, Yen-Cheng Lu, Yu-Hsuan Liu, Po-Wei Chen, Ying-Chen Lai, You-Ru Lin, Chung-Chih Lin, Tim Shia, Chih-Hao Cheng & Shu-Lu Chen
更に詳しく
この研究によって、ゲルマニウムとシリコンを利用し、室温で動作可能なCMOS互換の高性能単一光子アバランシェダイオード（SPAD）の開発が実現しました。これまでの単一光子検出器は、非常に低い温度でしか機能せず、また特殊な製造プロセスを必要としていましたが、新しいゲルマニウム・シリコンSPADは、常温での動作が可能であり、既存のCMOS製造技術と互換性があるため、大量生産や低コストでの製造が見込める点で大きな進歩を示しています。
具体的には、ダークカウント率は19kHzµm−2、1,310nmでの単一光子検出確率は12%、タイミングジッターは188ps、アフターパルスの特性時間は約90ns、アフターパルス確率は1%未満という性能を達成しました。これらのパラメータは、低いブレイクダウン電圧（10.26V）と小さな過剰バイアス（0.75V）を実現することで達成されています。この技術の応用例として、直接飛行時間（ToF）技術を用いた三次元の点群画像の取得が可能であり、これはコンセプトの実証として提供されました。
このSPADの開発は、短波長赤外線（SWIR）センサーやイメージャー、さらにはフォトニック統合回路など、日常生活での使用に向けた単一光子感度の応用技術の実現への大きな一歩を意味しています。このブレイクスルーにより、セキュリティ、医療画像診断、夜間視界向上など、多岐にわたる分野での安全性と性能の向上が期待されます。
高い変形性と強度を備えた新型セラミックの開発
ボロンナイトライドを用いて、ねじれた層を持つ新型のセラミックを開発し、これが常温で驚異的な変形性と強度を示すことを発見しました。
事前情報
ヴァンデルワールス力によって積層された物質のねじれ層は、物理的性質に独特の変化をもたらす可能性がありますが、その機械的性質に関する研究はまだ不足していました。
行ったこと
oBNナノ粒子からスパークプラズマ焼結（SPS）とホットプレス焼結を用いて、ねじれた層を持つボロンナイトライドの大量セラミックを合成しました。
検証方法
このセラミックの圧縮変形性、圧縮強度、ダークカウント率、単一光子検出確率などの物理的特性を測定しました。
分かったこと
このセラミックは、従来のセラミックスと比較して約10倍の変形性（圧縮変形時に14%の伸び）と、通常の六方晶系ボロンナイトライド層状セラミックスの約6倍の強度を持つことが確認されました。
この研究の面白く独創的なところ
ねじれ層構造により、従来のセラミックスにはない高い変形性と強度を実現しました。この構造は、変形が個々のナノプレートを越えて伝播するのを制限する三次元的に相互接続されたアーキテクチャによるものです。
この研究のアプリケーション
この技術は、エンジニアリングセラミックスにおける長年の課題であった高い変形性とプラスチック性を実現し、将来的には様々な産業分野での応用が期待されます。
著者
Yingju Wu, Yang Zhang, Xiaoyu Wang, Wentao Hu, Song Zhao, Timothy Officer, Kun Luo, Ke Tong, Congcong Du, Liqiang Zhang, Baozhong Li, Zewen Zhuge, Zitai Liang, Mengdong Ma, Anmin Nie, Dongli Yu, Julong He, Zhongyuan Liu, Bo Xu, Yanbin Wang, Zhisheng Zhao & Yongjun Tian
更に詳しく
この研究では、ボロンナイトライド（BN）を使用して、ねじれた層を持つ全く新しいタイプのセラミックを開発しました。このセラミックは、常温でも非常に高い変形性と強度を持つことが特徴です。開発されたセラミックは、従来のセラミックスと比較して、圧縮時に14%まで伸びることができるという点で、その変形性において大幅な改善を達成しました。この伸び率は、一般的なセラミックスの変形性（通常は1%未満）と比べて約10倍以上に達します。さらに、この新型セラミックの圧縮強度は、典型的な六方晶系ボロンナイトライド層状セラミックスの約6倍に相当し、その機械的強度も大幅に向上しています。
これらの顕著な機械的特性は、セラミック内のねじれた層状構造に起因しています。この構造は、個々のナノプレートが様々なねじれ角度で積層されることにより形成され、結果としてナノプレート間の相互作用が増強されます。この相互作用の強化は、セラミック全体の変形に伴うエネルギー分散を促進し、局所的な応力集中を減少させることにより、高い変形性と強度をもたらします。また、三次元的に相互接続されたナノプレートのアーキテクチャは、変形がセラミック全体に均一に分散されるようにし、個々のナノプレート間での変形の伝播を効果的に制限します。
この研究によって開発されたねじれ層ボロンナイトライドセラミックは、セラミックスの機械的性質に対する従来の理解を根本的に変える可能性を持っています。この技術の応用により、構造材料、保護コーティング、さらにはフレキシブルな電子デバイスなど、さまざまな分野での使用が期待されます。
マウスの胎生発達を細胞レベルで追跡
研究チームは、後頭頂葉皮質におけるニューロン間のシナプス接続が、知覚的意思決定タスク中の選択的活動をどのように生み出しているかを解明しました。
事前情報
後頭頂葉皮質が意思決定タスク中に選択的活動を示すことは知られていましたが、その活動が基盤となるシナプス接続からどのように生じるかは不明でした。
行ったこと
仮想現実行動実験、二光子カルシウムイメージング、高速電子顕微鏡撮影、回路モデリングを組み合わせて、後頭頂葉皮質のニューロン間のシナプス接続と選択的活動の関係を分析しました。
検証方法
この研究は、異なる選択性を持つ興奮性錐体ニューロンが同じ選択性を持つ抑制性介在ニューロンを優先的に標的とし、逆に抑制性介在ニューロンが選択性の異なる錐体ニューロンを標的とすることを発見しました。
分かったこと
抑制性介在ニューロンと興奮性錐体ニューロン間の「対立抑制モチーフ」が、選択的入力の増幅を通じて試行タイプ情報のエンコーディングを改善し、選択特異的な連続的活動を生み出すことに寄与しています。
この研究の面白く独創的なところ
脳の意思決定プロセスを支えるニューロン間の具体的な接続パターンを明らかにし、脳の情報処理メカニズムへの新しい理解を提供しました。
この研究のアプリケーション
意思決定に関わる脳回路の理解を深め、神経科学や人工知能の分野における新たなアプローチを開く可能性を持っています。
著者
Aaron T. Kuan, Giulio Bondanelli, Laura N. Driscoll, Julie Han, Minsu Kim, David G. C. Hildebrand, Brett J. Graham, Daniel E. Wilson, Logan A. Thomas, Stefano Panzeri, Christopher D. Harvey & Wei-Chung Allen Lee
更に詳しく
この研究では、後頭頂葉皮質のニューロン間のシナプス接続が、知覚的意思決定タスク中にどのように選択的な活動を引き起こすかについて深い洞察を提供しました。研究チームは、仮想現実を用いた行動実験、二光子カルシウムイメージング、高速電子顕微鏡撮影、そして回路モデリングという多角的なアプローチを組み合わせて、この問題に取り組みました。
彼らの発見は、興奮性の錐体ニューロンが、同じ選択性を持つ抑制性介在ニューロンを優先的に標的にしていることを示しました。この優先的な標的化は、選択的活動の基礎を形成する重要なメカニズムです。さらに、抑制性介在ニューロンは逆に、選択性が異なる錐体ニューロンを標的にします。これにより、対立する選択性を持つニューロン集団間で「対立抑制モチーフ」が形成され、選択的入力の増幅と試行タイプ情報のより良いエンコーディングが実現されます。
この対立抑制モチーフは、タスクの異なる時期に活動ピークを持つニューロン間でも存在し、選択特異的な連続的活動の生成に寄与することが示されました。研究チームが開発した神経回路モデルは、これらの発見を基にしており、対立抑制がどのようにして意思決定プロセスをサポートするかの理解を深めるものです。
この研究により明らかにされた後頭頂葉皮質のニューロン間のシナプス接続パターンは、意思決定という複雑な認知プロセスが脳内でどのように実現されるかについて、新たな光を当てました。これは、意思決定に関与する脳の回路設計が、選択的な情報処理を強化するために、特定の接続モチーフを利用していることを示唆しています。
最後に
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