メモリの小型化・高密度化の限界値を突破する単分子

私の研究は、さまざまな機能を持つ分子を開発することです。なかでも現在、データの読み書きが高速で行え、かつ電源供給がなくてもデータを失わない「ストレージクラスメモリ」となり得る分子の開発に力を入れています。

IoT、ビッグデータ、クラウドの時代を迎え、大容量ストレージへの需要は高まる一方であり、高度な情報化社会においてコンピュータの省電力化は避けられない課題です。その解決策として、すべてのデータをハードディスクではなくメモリ上に持てるストレージクラスメモリの開発が進められていますが、給電されなくても室温で記録を維持できるメモリは、すでに小型化・高密度化の物理的な限界値を迎えようとしています。

そんななか私たちは、室温でも強誘電性を示す単分子の開発に、世界で初めて成功しました。強誘電性とは、電気的な力を受ける電場がなくてもプラスかマイナスかの分極が整列（自発分極）し、なおかつ分極の方向が電場によって反転する性質で、それを有する物質を強誘電体と呼びます。このプラスとマイナスを1と0に対応させれば、デジタルの情報記録材料として用いることができるのです。

実際、強誘電体を組み込んだ記録デバイスは実用化されており、FeRAMと呼ばれています。しかし、強誘電体は一定のサイズよりも小さくすると、熱ゆらぎによって分極方向を保持できなくなってしまうという弱点があります。それに対し私たちは、電場によって分極方向をスイッチングできる金属酸化物分子を使うことで、物理的な限界が存在することが課題とされてきた強誘電体メモリの微細化をめざしました。

単分子で発現されないと言われていた強誘電性を実証

この金属酸化物分子とは、30個のタングステン、110個の酸素、5個のリン原子からなるカゴ状の無機分子「プレイスラー型ポリオキソメタレート」です。内部に筒状の空洞を持ち、その中に格納されているテルビウムイオン（Tb3+）が安定する場所によって、分子の分極（マイナスかプラスか）が決まります。そのマイナスかプラスかを0か1に当てはめれば、1つの分子のみで1ビットの情報を表現できるわけです。研究開発の結果、これまで単分子ではあり得ないとされてきた強誘電性を、室温以上で発現させることに成功しました。

無機分子「プレイスラー型ポリオキソメタレート」のイメージ図

この分子は、従来の理論に基づいて算出された記録密度の物理限界に縛られない、新しい物質群であると言えます。これをメモリとして実装できれば、既存の記録密度を1000倍以上も上回り、コンピュータの消費電力を9割減らすことも可能です。一連の研究成果は、今後、情報社会を大きく変えるポテンシャルを有しています。

生体機能を化学的に模倣することで人間の頭の中を再現したい

プレイスラー型ポリオキソメタレートという分子自体がつくられたのは1970年のこと。そこから深掘りされることもなかったようですが、思い描いた構想に当てはまるカゴ状の分子だったため、自分たちでつくり、測定を始めました。研究をスタートさせたのは2011年。当時学部生だった研究室の学生が6年がかりで取り組んでくれ、メモリとして使える可能性を示せたため、2017年度の「戦略的創造研究推進事業（さきがけ）」に申請し、採択されました。

室温以上で記録が失われてしまっては実用化できないため、分子の中のイオンを大きくして動きにくくすることで記録できる温度を上げ、半導体の工場で実際にメモリをつくって作動するところまで示せたため、2022年度に再度、採択していただきました。2023年6月には会社を立ち上げ、ストレージクラスメモリとして実装できるよう研究開発を進めています。代表を務めるのは、約10年前、広島大学へ来たとき最初に見ていた研究室の学生です。私は本当に、学生に恵まれていると思います。

現状はまだ1000分の1ミリほどのメモリしかできていないので、1万分の1、10万分の1と、どんどん小さくしていくことをめざしています。基礎研究が応用にまで進むのは初めての経験なので、とても楽しいです。

もともと生体の機能を分子で再現したいという気持ちがあるので、究極のメモリをつくるという観点では、人間の頭の中を再現したいと考えています。今のメモリは1か0かで記録していますが、人間の脳は曖昧な値を使って記録や計算をするアナログなメモリで、圧倒的に省エネなんです。以前、GoogleのAIが囲碁の世界チャンピオンを倒しましたが、そこに至るまで原発1機を1～2時間ぐらいフル稼働させたぐらいの膨大な電力を使っていたんです。でも人間はご飯を食べるだけのエネルギーで同じことができる。人間の脳は今の技術で立ち打ちできない境地にあるので、一歩でも近づきたいと思っています。