東大など、無機ナノチューブで前例のない特異な超伝導状態を実現

[マイナビニュース2017年2月21日配信]

東京大学(東大)は2月17日、二流化タングステン(WS2)ナノチューブに対して電解質ゲートを用いたキャリア数制御を行うことにより、WS2ナノチューブの電気伝導性を制御できること、電子を多量にドープし領域で超伝導が発現することを発見したと発表した。

同成果は、東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター・物理工学専攻 岩佐義宏教授、同研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター 井手上敏也助教、同研究科物理工学専攻の大学院生 秦峰氏、理化学研究所物質評価支援ユニット 橋爪大輔ユニットリーダーらの研究グループによるもので、2月16日付の英国科学誌「Nature Communications」に掲載された。

WS2ナノチューブは、グラフェンに次ぐ原子層物質として近年注目を集めている、遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる物質群のひとつであるWS2のナノ構造体の一種。同材料は金属と絶縁体の中間の電気伝導性を示す半導体であり、固体ゲート絶縁体材料を用いた電気伝導性の制御や力学特性の研究が行われてきたが、超伝導を含めた電気伝導性の大幅な制御はこれまでに報告されていなかった。

今回、同研究グループは、多層WS2ナノチューブを基板上に分散させ、単一ナノチューブのデバイスを作製。ゲート絶縁体材料として電解質(KClO4)を用いることで電気伝導性の制御を試みた。ゲート絶縁体材料である電解質に電圧を印加すると、電解質中のイオンが物質表面や原子層物質の層間に集積して物質中に電荷が蓄積され、大幅なキャリア数の制御が可能となる。この結果、半導体であったWS2ナノチューブに電子を蓄積して金属的電気伝導特性にすることに成功。電子を多量に蓄積した領域では、電気抵抗が5.8K以下でゼロになる超伝導が発現することを発見した。

さらに、特に磁場下での電気伝導性の振る舞いを詳細に測定することにより、電気抵抗がチューブ軸と磁場の角度に大きく依存する異方的な振る舞いを示すことや、磁場がチューブ軸に平行な場合に、円筒を貫く磁場に電気抵抗が影響を受けること、電流電圧特性が磁場と電流が平行か反平行かで異なる振る舞いを示すことを明らかにした。これらの超伝導特性は単一ナノチューブに特有のものであり、前例のない特異な超伝導状態が実現されていることを示しているという。

同研究グループは今回の成果について、対称性が破れた低次元電子系における新奇超伝導という新たな学術分野を切り開く礎となるだけでなく、省エネルギーナノエレクトロニクスに新たな指針を与えることが期待されるとコメントしている。

多層二硫化タングステン(WS2)ナノチューブの透過型電子顕微写真とデバイスの模式図。試料は直径100nm程度の多層ナノチューブ。正のゲート電圧を印加することで、WS2ナノチューブの表面および層間に正イオンが集積し、試料中に電子が蓄積される(出所:東京大学Webサイト)

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クロール泳ぎの水抵抗、速度の3乗に比例−筑波大など、定説覆す

[日刊工業新聞電子版2017年2月22日配信]

回流水槽内で泳ぐ被験者の前後方向をワイヤで固定。ワイヤにかかる張力を基に抵抗を推定(筑波大学提供)

筑波大学体育系の高木英樹教授と東京工業大学工学院の中島求教授らは、遊泳中の泳者にかかる水の抵抗について、泳ぎ方を限定せずに推定する手法を開発した。筑波大の水泳部選手6人の協力を得て、クロールで泳ぐ際の抵抗力を調査。泳ぐ速さの2乗に比例して抵抗が増すとの従来の定説に対し、新手法による推定では速度の約3乗に比例して抵抗が増えるとの結果が出た。

今後、この推定法で背泳ぎや平泳ぎ、バタフライなど他の泳法の抵抗も測定。世界トップ級の選手のデータとの比較などを通じ、各種目の成績向上に役立てる。

成果は国際科学誌ジャーナル・オブ・バイオメカニクス電子版に掲載された。

遊泳中の抵抗を測る既存の測定法には、体を一直線に伸ばした姿勢時の測定や、足を使わずに腕だけでクロールの動きをした際の測定などがある。

ただ、泳法や泳ぐ速度に制限をかけずに抵抗を測定する手法は、確立されていないという。

新開発の推定法は水が回流する水槽を使い、被験者には前後方向を伸縮性のあるワイヤで固定した状態で泳いでもらう。

流速の変化に応じて前後のワイヤに生じる張力を基に抵抗力を推定する。

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蓄電池付きで欠点克服、来るかメガソーラー第2波

[日本経済新聞電子版2017年2月21日配信]

北海道で相次ぎ稼働

太陽光発電ビジネスは終わっていない――。買い取り価格の大幅引き下げが続き、すっかり下火になったかに見えるメガソーラー(大規模太陽光発電所)の建設。蓄電池の利用で、もう一度、拡大の可能性を試す動きが北海道から始まっている。民間企業が開発した蓄電池付き太陽光発電所が2017年、道内で相次いで稼働を予定している。

■日が陰った時などに蓄電池から放電

太陽光発電パネルだけでなく、蓄電池も近年は単価下落が著しい。将来の市場拡大を見据えて、各社とも、先に蓄電池を併設した発電所の運営ノウハウを得ようと競い始めている。

北海道など規模の小さなエリアでは、発電量の変動の大きさを理由に太陽光発電の導入量は制限されてきた。蓄電池の有効利用が広がれば、太陽光発電普及の第2幕が開くかもしれない。

フージャースHDが建設している蓄電池付き太陽光発電所(北海道日高町、右下の建屋内に蓄電池が入っている)

北海道日高町。高速道路を下りてすぐの山あいに、マンションデベロッパーのフージャースホールディングスが建設する太陽光発電所がある。3月から運転を開始する予定だ。出力9000キロワットは北海道ではそれほど目立つ規模ではないが、最大の特徴は敷地の端に置かれた建物の中のリチウムイオン電池にある。

日が陰ると、太陽光発電所の発電量は急減する。電力会社は火力発電所に投入する燃料を増やして補うが、太陽光の規模が大きくなれば、需給バランスが乱れる原因になりかねない。

蓄電池を併設すると、発電量が急減したときは蓄電池から放電、急増したときは蓄電池に充電する。送電線に流れる電気の量の変動幅を小さくし、送電網全体の安定を保つ仕組みだ。

■太陽光バブルはじけ、最終赤字に転落する業者も

割安な土地が手に入りやすい北海道は全国よりも速いスピードで太陽光発電所の建設が進んだ。再生可能エネルギーの固定価格買い取り制度が12年に始まると、12年度末に10万キロワットだった道内の太陽光の発電能力は13年度末に35万キロワット、14年度末には61万キロワットと倍々に増えた。

北海道電力の送電網の規模は東京電力ホールディングスの9分の1ほど。太陽光が増えすぎると送電網が不安定になるとして、北海道電は2000キロワットを超えるメガソーラーは、蓄電池の敷設などで出力変動を緩和する対策がなければ、新規案件を受け付けなくなった。

買い取り価格は毎年引き下げが続いている。15年度以降は全国的にも太陽光発電所の新たな計画は増えていない。

過熱した市場に冷や水が浴びせられ、市場は一変した。その影響を大きく受けたのが、太陽光バブルに沸いていた電設工事会社だ。

北海道の地場会社である北弘電社は太陽光発電所の建設工事が本格化する13年度は売上高が前年度比4割増えた。ところが、16年度は受注済み案件のキャンセルもあり、売上高が前年度比14%減。10年ぶりの最終赤字に転落する見通しだ。

■蓄電池価格の下落で併設型でも採算合うように

北弘電社はフージャースHEが日高町で進める蓄電池付き発電所を建設し、完成後は運営も担う。太陽光の変調で不振にあえぐなか、次への可能性として期待しているのが、他ならぬこの蓄電池付き太陽光なのだ。

「蓄電池を使って制御する技術はまだ完成していない」(稲村尊史常務)。だからこそ、先んじて稼働し、運転の知見をためることで、新市場を創り出せると踏んでいる。蓄電池を効率的に使うノウハウを得られれば、数カ所の発電所を1つの蓄電池で制御し、導入負担を軽減する仕組み作りも可能とみる。

蓄電池は電気自動車の市場拡大で生産量が世界的に増えている。その結果、「ここ数年で2~3割は単価が落ちている」(太陽光発電所の開発会社)。発電パネルの価格は「固定価格買い取り制度の開始後、半額程度」(同)。蓄電池を併設した太陽光発電所は数年前なら、経済的に考えられなかったが、最近では17年度申請分の買い取り価格の21円でも成り立つとみる投資家もいるという。

道内では17年、蓄電池付きメガソーラーの運転開始が相次ぐ。4月には大林組が釧路町で建設中の出力1万4500キロワットの発電所、11月にはスマートソーラー(東京・中央)が新ひだか町で1万7000キロワットの発電所の運転を開始する。北海道電によれば、蓄電池付きで申し込み済みのメガソーラーは全道で19件、出力で43.2万キロワットに上る。

再生エネは燃料費がゼロ、発電時の二酸化炭素(CO2)も出さないうえに、処理が困難な廃棄物を出すこともない。割安になった蓄電池の利用で、出力変動という普及のハードルを越えることができれば、原子力や火力を含めた、「ベストミックス」のあり方が変わる可能性も秘めている。

(札幌支社 宇野沢晋一郎)

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水資源を最大限活用、地球温暖化対応で水力発電に脚光

[産経ニュース2017年2月10日配信]
すべての国と地域が地球温暖化対策に取り組むための枠組み(ルール)を定めた「パリ協定」が2016年11月に発効し、電源の低炭素化が今後、世界的に加速することになる。中でも注目されているのが、“天からの恵み”である水を利用して電気をつくる水力発電だ。国内の水力発電の約2割の設備容量(出力の合計)を占めるJ-POWER(電源開発)は、既存の水力発電所の効率化や小水力発電所の新規開発を積極的に進めている。その取り組みを追った。
戦後復興期から日本の電力を支えてきた佐久間ダム・発電所(静岡県浜松市)
■CO2排出ゼロ クリーンな水力発電は純国産の優れた再生可能エネルギー
水力発電は、ダムなどから流れ落ちてくる水の力で水車を回して電気をつくるクリーンな発電方法だ。純国産の再生可能エネルギー(再エネ)である水の力を利用し、発電過程では二酸化炭素(CO2)を排出しない。ダムから流す水の量を制御することで発電量を調整できるのが大きな特徴だ。クリーンでかつ電力需要に合わせて柔軟に発電量が調整できる優れた発電方法である。
経済産業省資源エネルギー庁の「エネルギー白書2016」によると、揚水発電を含む国内の水力発電の設備容量(出力の合計)は、2014年度末時点で4960万キロワット(kW)。これは、原子力発電や火力発電なども含めた全電源の約2割に当たる。また、2014年度の水力発電の年間発電電力量は869億キロワット時(kWh)で、全電源の電力量の約1割を担っている。
その水力発電設備をJ-POWERは全国61カ所に保有。総出力857万kWは国内のすべての水力発電設備の2割近いシェアを占めている。同社は1952年9月、戦後復興期の電力不足を解消するべく国の特殊法人として設立され、大規模な水力発電所や建設が困難な場所での水力発電所の開発を担ってきた。こうした経緯から多くの水力発電設備を保有しており、2004年に完全民営化した今では石炭火力事業・海外事業などにも展開している。
同社の水力発電開発における技術力は折り紙つきで、特にダムや大規模地下構造物の建設では日本トップクラスの技術を有している。象徴的な開発案件が佐久間発電所(静岡県浜松市、1956年4月運開)とともに建設した佐久間ダムだ。ダムの高さ約156メートル、有効貯水容量2億544立方メートルは完成当時、日本一を誇った。建設にあたり、米国製の大型機械や新しい水力土木技術、工法を採用し、わずか3年でダムと発電所を作り上げた。佐久間における功績は、建設業界や建設機械業界に革命的な影響を与え、その後の技術革新と高度経済成長を支えることになった。
1953年(昭和28年)から始まった佐久間ダム・発電所の建設工事の様子
同社は現在、エネルギー基本計画(2014年4月閣議決定)で推進の方向性が示された小水力発電所を積極的に開発しているほか、高経年化が進んだ既存の水力発電所のリパワリング、既設構造物の遊休落差等を活用した中小水力発電所の開発などを進め、水資源のさらなる有効活用に取り組んでいる。
■古い発電所も最新技術でリパワリング 出力アップ!
福島県と新潟県の県境に近い自然豊かな場所にたたずむ田子倉ダム。その豊富な水を利用して発電しているのがJ-POWERの田子倉発電所(福島県南会津郡只見町)だ。電力のピーク対応電源の役割を担う同発電所は、1959年5月に部分運転を開始し、61年11月に竣工。長期間の運転で機器が高経年化してきたため、4台の水車発電機(1~4号機)について2004年以降に順次、リパワリング工事に着手し、12年5月にすべての工事を完了した。
田子倉発電所(福島県只見町)のリパワリング工事の様子
リパワリング工事では、水車の回転速度を毎分167回転から188回転にアップし、さらに水車の基準有効落差を105メートルから106.8メートルに高めた。こうした改善により、取水量は同一ながら、発電機1台の最高出力は更新前の9万5000kWから10万kWに5%アップし、4台の合計出力も38万kWから40万kWに増えた。これはわが国の一般水力発電所の中で、同社の奥只見発電所(福島県南会津郡桧枝岐村、56万kW)に次ぐ2番目の出力規模だ。
「水車の性能はダムからの流水落差と水量により変化し、設備の劣化状態も部位によって異なります。これまでの発電所運用実績や設備状態を分析し、水車の設計条件と設備の更新範囲を決定しました。その条件を基に最新の解析技術を用い、発電効率を向上し出力アップを図りました」とは、同社で水力発電所の開発を統括する石黒友希夫氏。
石黒友希夫氏
さらに、静岡県浜松市にある秋葉第一発電所と秋葉第二発電所でも、1958年の営業運転開始から60年近くが経過したため、リパワリング工事を実施。秋葉第二は、水車のコンクリート埋設部を全て流用とし、最新の解析・設計技術を用いて水車の羽根の形状を改良し、最大出力が400kW増の3万5300kWになって2016年5月から運転を開始した。秋葉第一(1、2号機)は現在工事を行っており、最高出力の合計は1900kW増の4万7200kWになる計画だ。
秋葉第二発電所(静岡県浜松市)のリパワリング工事の様子
このほか、1956年に運転を開始した北海道上士幌町の糠平発電所(1、2号機)も2009年11月までにリパワリング工事を完了。同工事を完了または実施中の水力発電所は計4カ所となっている。
「リパワリング工事は環境負荷を抑える工夫をして実施しています。例えば糠平発電所は、大雪山国立公園に位置するため、古いコンクリートの撤去には騒音や粉じんの少ない工法を採用するなど環境に対して万全の対策をとりました」(石黒氏)
同社の水力発電所第1号である旧胆沢第一発電所(岩手県奥州市、1954年1月運転開始)は、国の胆沢ダム建設に合わせて廃止され、新たな胆沢第一発電所が2014年7月から運転を始めた。同発電所は大小2機の水車発電機により、少ない水量でも効率よく発電ができるよう、水資源の有効活用を図っている。
■川の流れを使った小水力発電も着々と進行
同社ではこのほか、貴重な水資源を最大限有効活用するため、未利用の水力資源を有効活用した小水力発電所の開発にも積極的に取り組んでいる。
「このき谷発電所」(福井県大野市、写真左側で未利用の高低差を利用している)
16年12月には、最大出力199kWの「このき谷発電所」(福井県大野市)が営業運転を開始した。同社として61カ所目の水力発電所となる同発電所は、九頭竜ダム貯水池への注水口付近に堰を設けて水車発電機を設置し、これまで未利用だった水の高低差を利用して発電を行う。このほか、最大出力470kWの「くったり発電所」(北海道上川郡新得町)が15年4月に運転を開始。同発電所は、屈足ダムから放流している未利用の河川維持流量(川の流れを維持するために放流している水)を利用して発電している。
「これまで使われていなかった小規模な水の流れを利用する小水力発電は、今後増やしていく方向」(石黒氏)という。
国の長期エネルギー需給見通し(エネルギーミックス)では、2030年時点の電力量に占める再エネの割合は22~24%と、現在の10%程度から大幅に増やすことになっている。J-POWERは水力の有効活用を進めるとともに、再生可能なクリーンエネルギーである風力、地熱発電などの開発にも取り組んでいる。
提供:J-POWER(電源開発株式会社)
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アイスコアの解析で過去72万年間の気候変動が判明

[マイナビニュース2017年2月10日配信]
国立極地研究所(極地研)などは2月8日、過去72万年分の気候について解析し、氷期のうち中間的な気温を示す時期に気候の不安定性が高くなり、その原因が温室効果の低下による全球の寒冷化であることを明らかにしたと発表した。
同成果は、国立極地研究所 川村賢二准教授、本山秀明教授、東京大学大気海洋研究所 阿部彩子教授を中心とする31機関64名からなる研究グループによるもので、2月8日付けの米国科学誌「ScienceAdvances」に掲載された。
今回、同研究グループは、日本が2003年~2007年に掘削した「第2期ドームふじアイスコア」を解析し、過去72万年間の南極の気温とダストの変動を詳細に復元。欧州が掘削した「ドームCアイスコア」のデータと合わせることで、信頼性の高い古気候データを得ることに成功した。また、これらのデータを調べることで、過去72万年のうち、氷期の中間状態において気候変動が頻繁に起こっていたことを明らかにした。
東南極の主な掘削地点(左)とドームふじ基地で掘削されたアイスコア(右) (出所:極地研Webサイト)
このように氷期の中間状態が不安定であった原因を探るため、同研究グループは、地球温暖化予測にも使用された気候モデル(MIROC)のなかで、間氷期/氷期の中間状態/氷期の最寒期に相当する3種類の気候状態を再現し、それぞれに対して同量の淡水を北大西洋北部に加えるシミュレーションを実施。それぞれの気候が敏感であるかどうかを調べるため、淡水流入に対する深層循環の反応や、その結果として起こる気温の変化を観察した。
この結果、氷期の中間状態において淡水流入に対する反応が最も大きく、気候が不安定であることが明らかになり、アイスコアのデータ解析結果と整合した。また、気候の不安定性が氷期の中間状態に高まる要因は、大気中の二酸化炭素濃度が低下したことで南極を含む地球全体が寒冷化し、深層循環が弱まりやすくなったことが重要であるということが示唆された。
また、比較的安定である間氷期においても、北大西洋北部に流入する淡水量を増やすと気候が大きく変わりうることも示唆されており、今後グリーンランド氷床の融解が増えることで気候の安定性が変化する可能性も考えられるという。
これまで、約10万年前~2万年前の最終氷期における気候の不安定性ついては研究が進んでいたが、複数の氷期を含む長期の傾向やメカニズムが明らかになったのは今回が初めてのことであると同研究グループは説明している。
MIROCによる気候シミュレーションの結果 (A-C)間氷期、氷期の中間状態、氷期最寒期という異なる3つの気候状態を再現し、その後、北大西洋北部に淡水を500年間加え続けた後の初期状態からの温度偏差を示したもの。氷期の中間状態の時に反応が大きく、北半球が寒冷化し、南半球は逆に温暖化することがわかる (D,E)現実には存在しなかった条件下での感度実験の結果。間氷期の条件から、大気中二酸化炭素濃度または北半球氷床のみを氷期の中間状態と同じにした結果、気候の不安定性が増大する要因として大気中二酸化炭素の役割が大きいことがわかった (出所:極地研Webサイト)
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ハーバード大、「金属水素」の生成に成功 – 室温超伝導への応用に期待

[マイナビニュース2017年1月31日配信]
ハーバード大学の研究チームは、水素に超高圧をかけることによって「金属水素」と呼ばれる状態を作り出すことに成功したと発表した。金属水素は、超高圧をかけられた水素が、金属光沢や導電性といった金属特有の性質を示すようになるもの。金属水素は、常温で超伝導体として振舞うと理論的に予想されていることもあり、高圧物理の分野では長年にわたり金属水素を作る実験が続けられている。研究論文は、科学誌「Science」に掲載された。
超高圧実験中の水素分子。圧力200GPa付近では透明だった水素分子(左)が、335GPaを超えたところから黒色に変化し(中央)、495GPaで金属特有の光沢を示すようになる(出所:ハーバード大学)
水素は通常、水素原子2個がそれぞれの軌道上にある電子を共有し合って結びつく共有結合によって、水素分子H2を構成している。この状態の水素は、分子間での電子の受け渡しができないため電気を通さない絶縁体である。しかし、水素に極めて高い圧力をかけた場合には、分子同士がぎゅうぎゅうに押しつけられることで分子の共有結合が解離し、電子1個を持つ水素原子がびっしり並んだ状態が出現する。このとき水素のバンド構造は金属状態となり、導電性を持った金属水素になると考えられる。
こうした理論予想は、1930年代に物理学者ユージン・ウィグナーらによってすでに行われており、ウィグナーは金属水素を作るのに必要な圧力を25GPa(ギガパスカル)と計算していた。25GPaというと約25万気圧の超高圧状態であるが、その後の実験によって金属水素を実際に作るには25GPaでは足りず、これを大幅に上回る超高圧力が必要であることがわかってきた。例えば、ローレンス・リバモア研究所が1996年に行った実験では、140GPa・3000Kという超高圧・超高温状態をガス銃の衝撃波によって発生させることで、液体水素が導電性を示したとされている。ただし、これは衝撃波による瞬間的な現象であり、金属水素とみられる状態が持続したのは100万分の1秒以下という短い時間だった。今日の理論では、金属水素への変化に必要な圧力は400~500GPa程度だろうと予測されている。
今回の実験では、高圧実験でよく使われるダイヤモンドアンビルセル(DAC)を用いて、低温で固体化した水素分子に超高圧をかけた。その結果、圧力335GPaまでは透明だった水素が、この圧力を超えると黒色に変わり、さらに495GPaに達したところで金属光沢を示すことが確認された。このときの反射率は0.91であった。この反射率をもとに理論モデルから計算したプラズマ振動数は約32.5eV(電子ボルト)、キャリア密度は約7.7×1023/cm3であり、金属水素の原子密度の予測値と一致した。このことから研究チーム は、超高圧下で固体の金属水素が現れたと結論している。
通常このような超高圧をDACにかけると、装置自体が破壊されてしまい、実験にならない。研究チームは破壊回避の対策として、DACのダイヤモンド表面5μmを反応性イオンエッチングによってきれいに削ぎ落とし、その後にアルミナ薄膜による保護層を作って水素の進入による劣化を防ぐなどの処理を施した。こうした工夫によって、495GPaという超高圧条件を実現できたという。
超高圧下で生成された金属水素は、理論的には準安定状態であるため、生成後に常温・常圧に戻しても金属水素の状態を保つことができる可能性がある。また、金属水素が室温以上で超伝導状態を示す高温超伝導体である可能性も指摘されている。
今後これらの理論予測が実験的に確認された場合には、室温超伝導という夢の技術が現実のものとなるかも知れず、期待が膨らむ。電気抵抗ゼロの状態で電流を回し続ける画期的なエネルギー貯蔵技術や送電網の超低損失化、超伝導リニアなどの磁気浮上式移動システム、超高効率電子デバイスの実用化など、室温超伝導の実用化が社会に及ぼすインパクトは計り知れないものがある。
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キラル磁性体の非相反なマイクロ波伝搬、東大が同時観測に成功

[日刊工業新聞電子版2017年2月03日配信]
東京大学大学院総合文化研究科のグループは、磁場を回転するとキラリティー(対掌性(たいしょうせい)が右手系から左手系に切り替わるキラルな磁性体において、電磁波の速度などが進行方向の正負で異なる、非相反なマイクロ波の伝搬を観測した。従来と異なる「電気磁気効果」に由来するマイクロ波の非相反性に関する新たな知見が得られ、マイクロ波物質科学の進展につながる。日本物理学会発行の英文誌(JPSJ)2月号に掲載された。
研究グループは、キラル磁性体である、銅とホウ酸の化合物(メタホウ酸銅)を使い、磁場方位を回転しながらマイクロ波の伝搬を詳しく測定した。その結果、従来の古典的な「磁気双極子」の相互作用に由来する非相反性と、「電気磁気効果」に由来する非相反性を初めて同時に観測し、これらを分類することに成功した。
マイクロ波領域では、磁気双極子の相互作用に基づく非相反性を利用した、アイソレーターやサーキュレーターなどのマイクロ波素子が普及している。
これまで、二つの非相反性を同時に観測した例はなく、双方の関係性や違いなどが明らかになれば、マイクロ波科学の発展や、非相反素子工学への展開が期待できる。
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ケンブリッジ大、グラフェンの超伝導化に成功

[マイナビニュース2017年1月26日配信]
p波スピン三重項を観測
ケンブリッジ大学の研究チームは、グラフェンを超伝導化する新手法を発見したと発表した。超伝導化することで、二次元の炭素材料である単層グラフェン中に抵抗値ゼロの状態で電流を流せるようになる。研究論文は、科学誌「Nature Communications」に掲載された。
単層グラフェンのイメージ(出所:AlexanderAlUS/Wikipedia/CC BY-SA 3.0)
今回の研究では、銅酸化物系の超伝導体であるプラセオジム-セリウム-銅酸化物(PCCO)の上に単層グラフェンを置くことによって、グラフェンにもともと備わっていると考えられる超伝導体としての性質を引き出すことに成功した。
グラフェンと超伝導体を組み合わせることによってグラフェンを超伝導化する研究はこれまでも行われてきたが、発現した超伝導現象がグラフェン固有のものなのか、超伝導体側に由来するものなのかという区別がはっきりしていなかった。
今回の実験では、200nm厚のPCCOの上に単層グラフェンを置いて超伝導化させ、その特性を走査トンネル顕微鏡法やラマン分光法などを用いて評価した。超伝導体では2つの電子がクーパー対と呼ばれるペアになって動くことで超伝導状態が発現することが知られており、PCCOなどの銅酸化物系超伝導体では、クーパー対の電子軌道が「d波」という状態になるという特徴がある。
これに対して、今回の実験で超伝導化したグラフェンで観測された電子軌道は「p波」と呼ばれる別の軌道状態であった。研究チームはこのことから、発現した超伝導状態はPCCOに由来するものではなく、グラフェン固有のものであると結論づけた。PCCOがトリガーとなって、グラフェンにもともと備わっている超伝導体としての性質が引き出されたと考えられる。
今回観測されたグラフェンの超伝導状態は、電子のスピンが「スピン三重項」と呼ばれる状態を取っているという特徴もある。p波スピン三重項の超伝導は、1994年に京都大学の前野悦輝氏らによって、ストロンチウム-ルテニウム酸化物(SRO)で発見されたもので、そのメカニズムはまだ完全には解明されていない。単層グラフェンでp波スピン三重項の超伝導が実現できれば、バルクのSROの観察からは分からなかった超伝導発現の詳細なメカニズムを調べることができるようになる可能性がある。
また、電子工学的観点からは、超伝導化したグラフェンを薄膜トランジスタ状の超伝導回路の材料として利用するほか、グラフェン表面にさまざまな化学分子を結合させた分子エレクトロニクスなどへの応用が期待できるとしている。
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スマホの次は「音声」「視線」 見えない主役の時代

[日本経済新聞電子版2017年1月23日配信]
藤村 厚夫(スマートニュース執行役員)
例年、年明け早々に、電化製品を中心とする民生機器やその関連技術の大規模な見本市「CES(コンシューマー・エレクトロニクス・ショー)」が開催される。その年の電化製品などのトレンドを見通すのに最適なイベントだ。
LG電子はアマゾンの音声操作を組み込んだ冷蔵庫を発表した(米ラスベガス)=ロイター
今年、会場や同時期に行われるメーカー各社の発表を通じて目立ったのは「AI(人工知能)」「自動(運転)車」「VR(仮想現実)」、そして「音声インターフェース」といったキーワードだった。
今年もモバイルの生命線である高速無線回線技術の「5G」は話題に上ったが、昨年までの数年間、イベントの中心だったスマートフォン(スマホ)の存在感がきわめて薄くなった。
消費者が目を向ける主役がスマホである時代は、過ぎ去ったように見える。だが、主役不在かといえば、そうではない。むしろ、スマホを継ぐ次なる主役は「目に見えない」存在へと転じたといえそうだ。
端的な例は「音声インターフェース」だ。その分野で先頭を走る米アマゾン・ドット・コムは、人の声による指示に対して音声で応えたり、あるいはネットワーク上のさまざまな機器を操作したりするインターフェースの「アレクサ」を開発。まず自社の家庭用スピーカー「エコー」に搭載した。
複数の人間(家族)が家庭の照明器具やテレビ、ステレオなどをコトバで操作することから始まり、宅配料理を注文するといった外部サービスとの連携が次々に可能になった。
今年のCESでは、自動車メーカーの米フォード・モーターが車載システムに、LG電子が冷蔵庫に搭載するなど、幅広い民生機器メーカーがアレクサ対応を発表した。以前からあった電化製品が、目に見えないインターフェースの追加でその利用体験を変化させようとしている。
それが音声インターフェースであり、その背後にある人工知能というわけだ。アマゾンは昨年の年末商戦で、同社のエコーをはじめとする「AI家電」の販売が前年比で10倍近くになったと発表している。
ふじむら・あつお 法政大経卒。アスキー系雑誌の編集長、外資系IT(情報技術)企業のマーケティング責任者を経て2000年にネットベンチャーを創業、その後の合併でアイティメディア会長。13年から現職。東京都出身、60歳。
米アップルの「iPhone」が発売から10年の節目を迎えた。スマホの革新的要素は、パソコンの基本だったキーボードとマウスによる操作を、指先による操作で置き換えたことだった。
音声インターフェースはスマホに搭載され、検索をはじめとする各種の操作で、それまでの指先による操作を不要にしつつある。
音声インターフェースだけが「スマホの次」と決まったわけではない。「視線」も可能性を秘めている。たとえば、交流サイト大手の米フェイスブックは、最近になり視線追跡技術のベンチャーのアイ・トライブ社を買収した。
同社はユーザーの視線を追跡し、その結果から電子機器を操作できる技術を持つ。VRや新たな広告表示に応用できそうだ。
「AR(拡張現実)」技術も有望だ。たとえば、ARを用いれば、実際に存在しないモノを机上に表示して操作したりでき、これも新たな市場を広げる可能性がある。
手元のスマホを指先で操作することに縛られていたサービスやメディアの発想を、見えない主役の登場が変えようとしているのかもしれない。
[日経MJ2017年1月23日付]
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公差って何?これだけは知っておきたい3D CAD知識(その10)

[マイナビニュース2017年1月25日配信]
幾何公差って難しくてよくわからない…
草野多恵
こんにちは。寒い日が続きますが、みなさんお元気でしょうか。私は先週一緒に出かけていた友人が今週インフルエンザ発症と聞き、少しドキドキしている今日このごろです。マスク、うがいは欠かさないようにしたいと思っています。
さて、前回ご紹介したはめあい公差に続いて今回は、幾何公差についてお話したいと思います。設計者の方でも幾何公差は苦手とおっしゃる方が大勢いらっしゃいます。
そもそも幾何公差とはどういうものかというと。「幾何特性仕様 (GPS:Geometric Product Specification) の規格を幾何特性ごとに表現をする公差」のことです。といっても何のことやらさっぱりわからないと思います。
以下に一例を示します。
例えばこのような部品を製作したとします。
しかし実際に切削加工などによってこの部品を作った場合には、どうしても微小にずれが発生します。前回も少し触れましたが、実際にはきっちりと”30.00000…mm”といった大きさに加工することは不可能であり、かつ平面全体を正確に水平に加工できるとは限りません。また、平面が歪んでしまう可能性もあります。
具体的なイメージを図にしてみました。(わかりやすいように極端な例にしています。)
・例1:この方向から見て水平を保ちたいはずの平面が斜めに傾いてしまっている
・例2:平面ではなくなり、歪んでしまっている
このようなズレやゆがみは寸法公差同様、ある程度までは許容する必要がありますが、「最低限この程度までは許容できる」という範囲を数値で示すのが、幾何公差です。
幾何公差の種類と用途を以下に示します。
では、先に例に上げた2つの図のようにならないように制限を設けたい場合の幾何公差設定の例を次に示します。(あくまで一例であり、実際に使用する検査器具や設計の思想によって変わる場合があります。)
・例1の場合
四角で囲んだ“A”というのは、基準となる位置を示します。そして、上側の3つの領域に分かれた記号で、幾何公差を示します。この場合は下側の面が基準となる面です。「この『A』面に対して上面を『平行』に保ちたいのですが、最大限ずれても『0.01』までに押さえてくださいね。」という意味になります。
幾何公差の一覧のうち、「データム表示」に「要」と付いている幾何公差には必ず基準となる面や軸などを示す必要があります。つまり基準に対して相対的に定義するということになります。
・例2の場合
「示した面の『平面度』を『0.1』を超えないように加工してください」という意味になります。
なお、何をもって”0.1″なのかというと、以下の図のような考え方になっています。つまり、本来の設計上の平面の位置に対して、0.1mmまでの範囲に収まっていればOKということです。
以上はほんの一例ですが、実際に加工されてできあがってくる部品の形状は、絶対に理論上の数値どおりには仕上げられないので、寸法公差と同様、形状や位置関係についても許容できる範囲を指示しておくということが重要となります。
ところで、前回も少し書きましたが、製図に関連するJISの項目の内容が、2016年に大きく変わりました。特に寸法の配置方法に大きな変更があります。
従来から設計に携わっている人たちが認識している寸法には、大きく2種類あります。
(1) 形状の大きさを示すための寸法
(2) 形状の配置位置を示すための寸法
このうち(2)に関しては、幾何公差を使用することが推奨されるようになりました。
ただし、すべての位置を示す寸法を幾何公差で表さなければならないわけではなく、普通公差から外れる厳密な公差を設けたい場合に寸法に添える描き方ではなく、幾何公差を使用すべきということです。
以下に例を示します。
寸法表記の一例ですが、従来の手法で描くとこんな感じです。穴の配置位置を厳密に定義するために寸法公差を使用しています。
これを2016年に改定されたJIS規格に従って描くとこうなります。
特に変わったポイントを赤で囲みました。
まず配置位置を示す寸法に公差値を記入せず、「基準寸法」にしています。(寸法値を四角で囲むと「基準寸法」という定義になります。)そして、配置の基準となる平面3ヶ所に「データム(基準位置)」を設けて、そこからの「位置度」という幾何公差によって位置の精密な値を示しています。従来の表現方法では寸法線がどの位置から引き出されているかを読み取らなければいけないので図面を読むスキルが必要になりますが、現在の幾何公差を使用する方法では、A、B、Cの位置を確認すれば済みます。
表現したいことは実は同じです。幾何公差を使用することによって、厳密に位置を指定したい場合にその基準の位置を明確に、そして正確に表現することができるようになります。
とは言え、企業内ではJISを踏まえながら企業内のルールを設定されていたりしますし、こういった図面内での表現というのは言語と同じことなので、発信者と受信者が共通で認識できないと意味が薄れるので、「2016年にJISが変わったから、今日から全部変えないと!!」というわけにもいきません。
しかしこの表現方法は国際的には定番になってきているので、海外に部品製作を発注することがある場合はこれを知っていると知らないとでは雲泥の差になり、ものづくりをする人の国際競争力にも影響が出ることだと思いますので、今すぐ使うことはなくても知っておく必要はあるでしょう。
2016年はこのように大規模な改変があるので、JIS本の中に改定の概要が書かれています。ぜひ、ご一読されることをおすすめします。
ちょっと今回はあまり「今さら」感が出せませんでしたが、逆にこの2016年に改定については特に、知っているだけでも周りの人に自慢できる話です。機会があったら周囲の方に話してみてくださいね。
ではまた次回をお楽しみに!
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