ジョンズ・ホプキンス応用物理学研究所（APL）とサムスン電子の研究チームが、CHESS（controlled hierarchically engineered superlattice structures）と呼ばれるナノエンジニアリング熱電材料を開発した。

この技術は2025年5月21日にNature Communications誌で発表された。CHESSは従来のバルク熱電材料と比較して、材料レベルで室温（27℃）において約100%の効率向上を実現し、デバイスレベルで約75%、完全統合冷却システムレベルで約70%の効率改善を達成した。

この材料は金属有機化学気相成長法（MOCVD）で製造可能で、冷却ユニット当たりわずか0.003立方センチメートル（砂粒程度のサイズ）の材料使用量で済む。研究の主任研究者は共同プロジェクトの主任研究者でAPLの熱電技術主任技術者であるラマ・ベンカタスブラマニアンで、サムスン側はライフソリューションチーム常務取締役ジュンヒョン・リーが率いる冷凍チームが参加した。

CHESSは2023年にR&D 100賞を受賞し、当初は国家安全保障用途のチップとエンジン部品冷却のために開発され、現在は医療用義肢装具での冷却にも使用されている。

From: https://www.theregister.com/2025/07/03/cold_without_the_compressor_boffins/

【編集部解説】

CHESS技術の核心は、従来のバルク材料とは根本的に異なる「ナノエンジニアリング」にあります。この技術は、原子レベルで精密に設計された超格子構造を持つ薄膜材料で、厚さはわずか砂粒程度の0.003立方センチメートルという極小サイズを実現しています。

重要なのは、この材料が金属有機化学気相成長法（MOCVD）という既存の半導体製造プロセスで作製できることです。MOCVDは高効率太陽電池や商用LEDの製造に広く使われている確立された技術であり、これによりCHESS材料の大量生産への道筋が明確になっています。

段階的な効率改善の実現

CHESS技術の最も注目すべき点は、段階的な効率改善を実証したことです。材料レベルでは室温において約100%（2倍）の効率向上を達成し、これがデバイスレベルでは約75%、完全統合システムレベルでは約70%の効率改善として実現されました。この段階的な性能向上は、実用化に向けた重要な指標となります。

冷却技術の根本的変革

現在の冷却システムの多くは、コンプレッサーと化学冷媒に依存した機械的な仕組みです。しかし、CHESS技術は電子を利用して熱を移動させる固体冷却方式を採用しており、可動部品や有害な冷媒を一切必要としません。

この違いは単なる技術的改良を超えた意味を持ちます。従来の冷媒であるハイドロフルオロカーボン（HFC）は、CO2の数百倍から数千倍の温室効果を持つ強力な温室効果ガスです。CHESS技術の普及は、これらの有害物質の使用を根本的に削減する可能性を秘めています。

産業への波及効果と応用範囲

この技術の影響は冷蔵庫や空調機器にとどまりません。APLの研究者ジェフ・マランチが指摘するように、CHESS材料は体温などの温度差を電力に変換する機能も備えています。これは、IoTデバイスや医療機器の自己給電システムへの応用を意味します。

ベンカタスブラマニアン博士は、「この薄膜技術は、リチウムイオン電池が携帯電話のような小型デバイスから電気自動車のような大型デバイスまで電力を供給するようにスケールアップされてきたのと同様に、小型の冷凍システムから大規模な建物のHVACアプリケーションまで成長する可能性を秘めている」と述べています。

AIとの融合による最適化

APLとサムスンは、今後AI（人工知能）を活用したエネルギー効率の最適化に取り組む計画を発表しています。具体的には、冷蔵庫内の区画ごとの温度を最適に制御する区分冷却や、必要な場所だけを効率的に冷やす分散冷却などが検討されています。

潜在的なリスクと課題

一方で、この技術にはいくつかの課題も存在します。まず、CHESS材料の製造には特殊な材料が必要であり、その環境フットプリントについては慎重な評価が必要です。特に、テルルや希土類元素などの希少材料の採掘と加工は、環境への影響を伴う可能性があります。

また、固体冷却技術は従来のシステムと比較して動作温度範囲が限定的であり、極端な環境条件での性能については更なる検証が求められます。

規制環境への影響

この技術の普及は、既存の冷媒規制にも大きな影響を与える可能性があります。モントリオール議定書のキガリ改正により、HFCの段階的削減が国際的に合意されており、CHESS技術はこの流れを加速させる重要な代替技術として位置づけられます。

長期的な技術展望

10年間の研究開発を経て実用化段階に到達したCHESS技術ですが、その真価は今後の展開にかかっています。サムスンとの共同研究により実証された段階的な効率改善は、商業化への重要なマイルストーンです。

今後は、より大規模な冷凍システムへの応用や、AI駆動の最適化システムとの統合が計画されており、エネルギー効率のさらなる向上が期待されます。この技術革新は、単なる冷却効率の改善を超えて、持続可能な社会の実現に向けた重要な一歩として評価されるべきでしょう。

【用語解説】

CHESS（Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structures）
制御された階層的にエンジニアリングされた超格子構造の略。原子レベルで精密に設計されたナノエンジニアリング熱電材料で、従来のバルク材料と比較して材料レベルで約100%、デバイスレベルで約75%、システムレベルで約70%の効率改善を実現する。

熱電材料（Thermoelectric Materials）
温度差を電力に変換、または電力を使って冷却効果を生み出す半導体材料。電子の移動により熱を輸送する固体冷却方式を採用し、可動部品や化学冷媒を必要としない。

MOCVD（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）
金属有機化学気相成長法。高効率太陽電池や商用LEDの製造に広く使われている確立された半導体製造プロセス。CHESS材料の大量生産を可能にする技術。

ペルチェ効果（Peltier Effect）
半導体に電流を流すことで一方の面が冷却され、他方が加熱される現象。この原理を応用した冷却装置は冷媒を必要とせず、環境負荷が低い次世代の冷却手段として注目されている。

超格子構造（Superlattice Structure）
異なる材料を原子レベルで交互に積層した人工的な結晶構造。ナノスケールでの層厚制御により、バルク材料では実現できない特性を発現させる。

【参考リンク】

Johns Hopkins Applied Physics Laboratory（外部）
ジョンズ・ホプキンス大学の応用物理学研究所。8,700人の研究者が在籍する米国最大の大学関連研究センター

Samsung Electronics（外部）
韓国の多国籍電子企業。CHESS技術の商業化に向けてAPLと共同研究を実施している

Samsung Research（外部）
サムスン電子の先端研究開発ハブ。AI、通信、ディスプレイ技術などの次世代技術開発を担当

Nature Communications（外部）
CHESS技術に関する研究論文が2025年5月21日に掲載された科学誌

【参考動画】

Samsung Research America: Who We Areサムスン・リサーチ・アメリカの公式チャンネルによる組織紹介動画。シリコンバレーでの研究活動、ビジョン、ミッション、研究分野について解説している。

The Johns Hopkins Applied Physics Labジョンズ・ホプキンス応用物理学研究所の公式紹介動画。国家的課題解決に向けた研究開発活動と、米国最大の大学関連研究センターとしての役割を説明。

【参考記事】

世界初の高性能ペルチェ冷蔵技術、ナノ薄膜で冷媒ゼロの未来へ（外部）
SamsungとAPLが共同開発したCHESS技術の詳細解説。最大75%の冷却効率向上を実現

JHU/APL・Samsung開発、超高効率「CHESS」薄膜熱電冷却とは？（外部）
CHESS技術の段階的効率改善とAI融合による将来展望を詳細に分析

ナノエンジニアリングされた熱電素子がスケーラブルでコンプレッサーフリーの冷却を実現（外部）
APLとサムスンの共同研究成果を技術的観点から解説。製造プロセスと実用化への道筋を詳述

【編集部後記】

皆さんのご自宅やオフィスで、エアコンや冷蔵庫の音が気になったことはありませんか？CHESS技術のような固体冷却が普及すれば、これらの騒音問題が解決される可能性があります。また、停電時でも小さな温度差から電力を生み出せる技術として、災害時の備えにも活用できるかもしれません。

特に興味深いのは、この技術がAIと融合することで、冷蔵庫内の区画ごとに最適な温度制御を行ったり、必要な場所だけを効率的に冷やしたりできる点です。私たちも日々の取材を通じて、こうした技術がどのように生活を変えていくのか、一緒に考えていきたいと思っています。皆さんは、この技術がどんな場面で最も役立つと感じられますか？

ナノテクノロジーニュースをinnovaTopiaでもっと読む

​香港科技大学（HKUST）の工学院の研究チームは、人工知能（AI）と量子コンピューティングを物理的かつ技術的に近づける新しい極低温インメモリ計算手法を開発した。​この手法により、AIアクセラレータと量子プロセッサ間の物理的距離を数十センチメートルに縮め、データ転送の遅延を大幅に削減し、エネルギー効率を向上させることが可能とした。

研究チームは、磁性トポロジカル絶縁体であるクロムドープのビスマス-アンチモン-テルル（Cr-BST）を使用し、極低温環境下でのインメモリ計算を実現した。​この材料は、大きなバルクエネルギーバンドギャップと、表面やエッジでの伝導状態を持つ特性があり、スピン-モメンタムロッキングや量子異常ホール効果といった独特の現象を示した。​

この研究は、HKUSTの邵啓明（Shao Qiming）助理教授が率いるチームによって行われ、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）、中国科学院物理研究所、香港城市大学（City University of Hong Kong）、南方科技大学（Southern University of Science and Technology）との共同研究です。

この新しい計算手法は、量子コンピュータのエラー訂正や制御におけるAIの役割を強化し、量子コンピューティングとAIの融合を加速させる可能性がある。

この研究内容は2025年1月にnature materials誌に掲載されて、2025年3月26日にphys.orgにて掲載された。

from:https://phys.org/news/2025-03-meters-closer-miles-faster-cryogenic.html

​【編集部解説】

今回の記事は「量子コンピュータ」「AI」「ナノテクノロジー」というイノベーティブな3分野全てが協奏的に起こした優れた研究結果の紹介です。2025年、今現在を生きてる私たちに将来の技術の在り方を予感させる内容です。量子コンピュータとAIの協働による量子誤り訂正研究の加速は量子コンピュータの実用化に向けた大きな一歩です。

量子コンピュータは、従来のコンピュータとは全く異なる原理で動作するため、計算中にエラー（誤り）が起こりやすいという課題を抱えています。このエラーを訂正する技術が「量子誤り訂正」であり、量子コンピュータの実用化には不可欠です。

しかし、量子誤り訂正は非常に複雑で、従来の方法では計算に膨大な時間がかかっていました。そこで注目されたのが、AIの活用です。

AI、特に機械学習と呼ばれる技術は、大量のデータからパターンを学習し、未知のデータに対しても高い精度で予測や分類を行うことができます。このAIの能力を量子誤り訂正に応用することで、エラーのパターンを効率的に学習し、訂正に必要な計算時間を大幅に短縮することが可能になります。

技術的背景と課題
量子コンピュータは、ミリケルビン（約-273°C）という極低温環境で動作するため、通常、室温で動作するグラフィックス・プロセッシング・ユニット（GPU）などのAIアクセラレータとは数メートル離れて配置されています。​この物理的距離が、データ転送の遅延やエネルギー効率の低下を引き起こしていました。​

新手法の革新性
研究チームは、極低温環境下で動作するインメモリ計算手法を開発しました。​これにより、AIアクセラレータを量子プロセッサの近傍に配置することが可能となり、データ転送の遅延を大幅に削減し、エネルギー効率を向上させることができます。​

この技術がもたらす可能性
この新しい計算手法により、量子コンピュータのエラー訂正や制御におけるAIの役割が強化される可能性があります。​また、量子コンピューティングとAIの融合が加速し、高速かつエネルギー効率の高い計算が実現されることが期待されます。​

潜在的なリスクと課題
一方で、この技術の実用化には、極低温環境での安定した動作や、大規模なシステムへの適用に関する課題が残されています。​また、新材料の製造コストや耐久性なども検討が必要です。​

規制や将来への影響
この技術が広く採用されることで、量子コンピューティング分野の発展が加速し、新たな産業応用が生まれる可能性があります。​しかし、技術の進展に伴い、関連する規制や標準化の枠組みの整備も求められるでしょう。​

総じて、HKUSTの研究チームが開発した極低温インメモリ計算手法は、AIと量子コンピューティングの融合を推進する重要な一歩となる可能性を秘めています。​

【編集部追記】

相互作用しあう最新技術

量子誤り訂正の困難とAIの活躍

量子コンピュータは、従来のコンピュータでは解決が難しい問題を高速に処理できる可能性を秘めていますが、量子ビット（キュービット）の脆弱性からくるエラーが大きな課題となっています。​量子誤り訂正（QEC）は、これらのエラーを検出・修正するための技術ですが、実装には多くの困難が伴います。​近年、人工知能（AI）を活用してQECを強化する試みが進められています。​例えば、GoogleのAlphaQubitは、AIを用いて量子コンピュータのエラーを高精度で特定し、修正するシステムを開発しました。 ​

また、理化学研究所の研究者たちは、機械学習を活用して量子コンピュータのエラー訂正を行う自律的なシステムを開発し、実用化に向けた重要な一歩を踏み出しています。 ​

量子アルゴリズムとAIの可能性

量子コンピューティングは、AIの分野にも新たな可能性をもたらしています。​量子機械学習アルゴリズムは、従来の手法では困難だった大規模データの解析や複雑なパターン認識を効率的に行うことが期待されています。​例えば、量子近似最適化アルゴリズム（QAOA）や変分量子固有値ソルバー（VQE）などの手法が開発され、組み合わせ最適化問題や量子化学計算への応用が検討されています。 ​

さらに、量子生成敵対ネットワーク（QGAN）などの量子アルゴリズムが、複雑な量子システムのサンプリングやデータ生成に利用される可能性も示されています。 ​

トポロジカル絶縁体による新規材料の可能性

トポロジカル絶縁体は、内部は絶縁体でありながら、表面やエッジで電流が流れる特性を持つ新しい材料です。​この特性により、スピントロニクスデバイスや量子コンピュータの構築において重要な役割を果たすと期待されています。​例えば、ビスマス系のトポロジカル絶縁体は、その独特な電子構造から、高効率なスピン輸送特性を示し、新しい電子デバイスへの応用が検討されています。 ​

また、トポロジカル絶縁体の熱電特性を利用したエネルギー変換デバイスの開発も進められており、持続可能なエネルギー技術への貢献が期待されています。 ​

むすび

科学技術の進歩は、異なる分野の相互作用によって加速されます。​量子コンピューティング、AI、新規材料科学といった多様な領域が交差することで、これまでにない革新的な技術や応用が生まれています。​特定の分野にのみ焦点を当てた選択と集中では、人間の想定内の成果しか得られない可能性があります。​真のイノベーションは、異なる分野の知識や技術が融合し、新たな視点やアプローチが生まれることで実現されます。​したがって、多様な分野の専門家が協力し、相互作用を促進することが、社会の仕組みを変えるような大きな進歩を生み出す鍵となるでしょう。

【用語解説】

• 極低温（Cryogenic）: 非常に低い温度、通常は摂氏-150度以下の温度領域を指す。​
• インメモリ計算（In-Memory Computing）: データをメモリ内で直接処理することで、高速な計算を実現する技術。​
• ホールバー素子（Hall Bar Device）: ホール効果を測定するための細長い形状の試料。​
• クロムドープのビスマス-アンチモン-テルル（Cr-BST）: ビスマス（Bi）、アンチモン（Sb）、テルル（Te）からなる化合物にクロム（Cr）を添加した材料。この材料は、大きなバルクエネルギーバンドギャップを持ち、表面やエッジでの伝導状態を示します。​さらに、スピン-モメンタムロッキングや量子異常ホール効果といった独特の現象を示し、低温環境下での高効率な計算を可能にします。​
• スピン-モメンタムロッキング（Spin-Momentum Locking）: 電子のスピン（自転）と運動方向が固定的に関連付けられる現象。​
• 量子異常ホール効果（Quantum Anomalous Hall Effect）: 磁場なしでホール効果が量子化される現象。​

【参考リンク】

• 香港科技大学（HKUST）電子・コンピュータ工学部: 研究チームの詳細情報が掲載されている部門。​
• 邵啓明（Shao Qiming）助理教授のプロフィール: 研究チームのリーダーである邵助理教授の詳細情報。​

2025年2月10日、中国の吉林大学と中山大学の共同研究チームが、天然のダイヤモンドよりも40%以上硬い「超ダイヤモンド」の合成に成功したと発表した。この研究成果は、2025年2月にNature Materials誌に掲載された。

研究チームは、吉林大学の劉冰冰教授と姚明光教授、中山大学の朱勝才教授らが率いた。彼らは、高圧・高温条件下でグラファイトを処理し、段階的な相転移を経て六方晶構造を持つダイヤモンド（ロンズデーライト）の合成に成功した。

この「超ダイヤモンド」の特徴は以下の通りである：

1. 硬度：155ギガパスカル（GPa）（天然ダイヤモンドは約70-100 GPa）
2. 熱安定性：1,100℃まで安定
3. サイズ：ミリメートル級
4. 結晶構造：六方晶構造（通常のダイヤモンドは立方晶構造）

この新しい合成方法は、従来のダイヤモンド合成に必要な圧力の6倍（地球大気圧の30万倍）を要する。

この「超ダイヤモンド」は、将来的に航空宇宙工学、軍事防衛、自動車産業、半導体産業、掘削・採掘産業、精密加工産業など、さまざまな分野での応用が期待されている。

from:https://www.perplexity.ai/page/ultra-hard-super-diamond-devel-gqV2BJypRc2wc2CB5pSd5w

【編集部解説】

今回のニュースは材料科学の分野における画期的な進歩を示すものです。中国の研究チームが成功した「超ダイヤモンド」の合成は、単なる科学的好奇心の産物ではなく、将来的に産業界に大きな革新をもたらす重要な発見です。この「超ダイヤモンド」の最大の特徴は、その分子構造にあります。

通常のダイヤモンドが立方晶構造を持つのに対し、この新素材は六方晶構造（ロンズデーライト）を持っています。この構造の違いが、40%以上も高い硬度と優れた熱安定性を実現しています。

従来のダイヤモンドと比較して大幅に硬いという特性は、工業用途において革命的な影響をもたらします。例えば、航空宇宙工学分野では、極限環境下で使用される部品や構造材料として活用されるでしょう。

また、軍事防衛分野では、より高性能な防護材料の開発に貢献します。自動車産業においては、高温・高圧下で動作する耐久性の高いエンジン部品の開発に適しています。これにより、エンジンの効率性や耐久性が大幅に向上するでしょう。

また、1,100℃という高温でも安定性を保つ特性は、半導体産業に革新をもたらします。高温環境下でも性能を維持できる電子デバイスの開発が実現すれば、次世代のエレクトロニクス産業に新たな道が開かれます。掘削・採掘産業では、この超硬質材料を用いたドリルビットや切削工具により、これまで困難だった硬質岩盤の効率的な掘削が実現します。

同様に、精密加工産業でも、難加工材料の高精度加工に革新をもたらします。

しかし、この技術にはいくつかの課題も存在します。

まず、合成に必要な超高圧環境（地球大気圧の30万倍）の実現は、大規模生産において技術的・経済的な障壁となります。この課題を克服し、生産コストを下げることができれば、より広範な産業応用が広がるでしょう。

また、新素材の登場は既存の産業構造に大きな変化をもたらします。天然ダイヤモンド産業への影響や、新たな規制の必要性など、社会経済的な側面からの検討も必要です。長期的な視点では、この技術が他の超硬質材料の開発にも応用されるでしょう。

材料科学の進歩は、私たちの生活を支える様々な製品やインフラの性能向上につながり、持続可能な社会の実現に貢献します。ただし、これらの応用はまだ研究段階のものも多く含まれており、実用化までには更なる研究開発が必要となります。

今後の研究の進展と、産業界との連携による実用化への取り組みに注目が集まっています。

【用語解説】

1. ロンズデーライト（六方晶ダイヤモンド）：
   通常のダイヤモンド（立方晶）とは異なる結晶構造を持つダイヤモンドの一種。隕石衝突などの極限環境下で生成される。超ダイヤモンドの基本構造。
2. グラファイト：
   炭素原子が六角形の平面構造を形成している物質。鉛筆の芯などに使用される。超ダイヤモンドの原料。
3. ギガパスカル（GPa）：
   圧力の単位。1GPaは約9,869気圧に相当する。超ダイヤモンドの硬度は155GPa。
4. 立方晶構造：
   原子が立方体の頂点と面心に配置された結晶構造。通常のダイヤモンドの構造。
5. 六方晶構造：
   原子が六角形の配列を持つ結晶構造。超ダイヤモンド（ロンズデーライト）の特徴的な構造。

【参考リンク】

1. 吉林大学（外部）
   中国の重点大学の一つ。今回の研究を主導した機関。世界的に認められた研究実績を持つ。
2. 中山大学（外部）
   中国の著名な総合大学。今回の研究に参加した機関。幅広い分野で先進的な研究を行っている。
3. Nature Materials（外部）
   材料科学分野の権威ある学術誌。今回の研究成果が掲載された。最新の材料科学研究を掲載。

【編集部追記】
今回の記事はPerplexityのDiscoverに掲載されている情報に新たな検索を加え、リライトと解説を添えたものになります。本記事に興味を持たれた方は、さらに詳しい情報をPerplexityの該当ページから質問し深掘りすることができます。
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コチラから
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超硬度の「スーパー・ダイヤモンド」が開発される