光を当てると物質が変化する「光誘起相転移」で革新的デバイスを実現 ― 腰原伸也

水は温度や圧力の変化によって、氷（固体）になったり水蒸気（気体）になったりする。このように、組成は同じでありながら、固体、液体、気体など異なる「相」に移行することを「相転移」という。相転移とはつまり、温度や電場、磁場など外部環境の変化に伴い、物質を構成する原子や分子の間の相互作用や時には分子の構造そのものが変化し、物質としての様々な性質（磁性、誘電性、伝導性、熱特性等）がガラッと変化する現象のことだ。
同じ「相転移」でも、物質に光を照射するだけで、状態を変化させることができるのが「光誘起相転移」だ。それらの中でも、微弱な光で一瞬にして絶縁体を金属に変えたり、電気的に中性な有機物質を強誘電体^※1に変えることができる超高速・省エネルギー駆動系を見出せば、これまでにない画期的な光電デバイス^※2が実現する。現在、世界中でその研究開発が進められているが、この超高速・高効率光誘起相転移を世界で初めて提唱し、実際にこれに対応する物質を数多く発見してきたのが、腰原伸也だ。
「現在の電子デバイス（主にメモリー）は、電場や磁場をかけて相転移を起こさせることで動作しています。それに対し、私は約30年前、研究室の上司や仲間と飲みながら、温度や電場、磁場で制御できる相転移が、光で制御できないわけがないという話で盛り上がりました。このことが、現在の研究の出発点です」と腰原は振り返る。
光による物質の変化は、以前から知られていた。実際に光反応デバイスとしてすでに実用化もされている。しかし、これまでの研究では、1つの光子で変化するのは、分子1つ程度。それに対し、光誘起相転移では、1つの光子によって最初に1つの電子が変化すると、それが周囲の電子を巻き込み、まるでドミノ倒しのように、次々と変化を引き起こしていく。それにより、物質全体の構造・性質が大きく変わり、相転移が起こるというのが特徴だ。そのため、腰原はこの現象を「光ドミノ効果」と呼んでいる。
「現在、電子デバイスでは、情報の処理や書き換えに莫大な電力を要しています。熱となって損失する量も多く、今後も予測される持続的利用が本当に可能なのか、地球温暖化防止という視点でも大きな課題となっています。それに対し、光誘起相転移を利用した光デバイスを開発できれば、情報の書き換え速度を1,000倍以上に高速化できる上、大幅な省エネルギーが図れます。現在、物質の安定性など様々な課題を抱えつつも世界が注目している理由もここにあります」と腰原は説明する。