EPFL、物語を語るねじれたナノチューブ

December, 17, 2025, Lausanne--EPFLの研究者たちは、ドイツの科学者たちと協力し、小さなねじれた磁気チューブの螺旋形状を利用して、電子ではなくマグノンと呼ばれる準粒子に基づくデータを送信できることを示した。

マグノニクスは、電子機器にかかるエネルギー損失を伴わずに高速かつ高効率な情報符号化を目指す新興の工学分野である。このエネルギー損失は、回路を流れる電子が熱を発生させるときに起こるが、マグノニックシステムでは電子の流れが全く関与しない。

代わりに、外部磁場が磁石に加わり、磁石の電子の磁気向き(「スピン」)を乱す。この動揺により、スピン波(マグノン)と呼ばれる個別化された集団励起が可能になり、磁石を通過し、まるで池を渡るさ波のように電子はその場に留まる。

電子流がない利点があるにもかかわらず、三次元(3D)マグノニックシステムは主に実験的なままであり、強い磁場や極めて低い(極低温)を必要とし、主流の装置と互換性がないことが多い。

現在、EPFL工学部のナノスケール磁性材料・マグノニクス研究室(LMGN)の研究者たちは、極端な温度の必要性を排除しつつ、3D製造手法を提示することで、マグノニクスを現実世界への応用に大きく近づけた。強磁性ニッケル製のナノスケール管を物理的にねじることで、チームはキラリティと呼ばれる特別な性質を誘発した。これは物体の対称性と鏡像の対称性が異なるものである。この非対称性により、マグノンはチューブの軸に沿って一方向にしか流れず、二進情報を符号化しチップ上で信号を送信する重要な機会を生み出した。例えば、「右手型」スパイラルツイストで検出されるマグノンフローのパターンは0を表すかも知れないが、左手型の場合は1を表すかも知れない。

LMGNの責任者Dirk Grundlerによると、この工学的偉業が電子技術の重要な部品であるダイオードも生み出し、信号を一方向のみに導く。「本質的には、マグノン用の3Dダイオードを作り出し、同時に室温でデータを符号化できる。」
この研究はNature Nanotechnology誌に掲載されている。

「われわれは、ニッケルが自然にキラル特性を持たないからこれらの構造を生成できる世界で唯一のグループである。したがって、基本的には3次元幾何学だけでキラリティを「刻印」している(Axel Deenen, LMGN)。

完全互換性があり大量生産可能

チームのナノエンジニアリングプロセスは、Huixin Guoと元LMGN研究者のMingran Xuによって開発され、ねじれたポリマ棒を3Dプリントし、極薄なニッケル層をコーティングするものである。一部の材料は極低温で自然にキラル特性を示すが、EPFLの科学者たちは、ドイツのマックスプランク固体化学物理研究所およびBESSY IIシンクロトロン施設のX線イメージング専門家のおかげで、幾何学に基づくアプローチが自然界で観測されたどのキラル効果よりも強いキラル効果をもたらしたことを発見した。シミュレーションや理論的計算によれば、チューブを縮小し、螺旋曲線を微調整することで、この効果がさらに強化される可能性がある。

「われわれは世界で唯一、キラル特性を持たないニッケルからこれらの構造を生成できるグループである。したがって、われわれは本質的に3次元幾何学だけでキラリティを『刻印』している」とLMGN研究者のAxel Deenenは要約している。

強磁性チューブの大量生産に利用できる製造プロセスは、マイクロエレクトロニクス産業で使われている主流チップ技術と完全に互換性があり、強い磁場や特殊材料、極端な温度を必要としない。磁場を使ってチューブやスピン波を「プログラム」するが、この磁性情報は移動電荷を一切含まずに保存されるため、安定かつ不揮発性の符号化手法となっている。

Grundlerは、将来を見据えたこの研究が人工知能のニューロモルフィック(脳に触発されたコンピューティング)の推進力としてマグノニクス技術の普及を促進する可能性があると付け加えている。「ハードウェア実装のニューロモルフィックコンピューティングはAIアプリケーションの最適化に鍵をつけるが、脳と同様に、これは3Dアーキテクチャと低消費エネルギーの観点からのみ意味を持つ。われわれの技術はこれをサポートする準備ができている。」