情報社会の発展に伴い、計算・情報処理に要するエネルギー消費の増大が社会的な課題となっている。計算性能を高めながら消費電力を抑えるため、AI向けのアナログ・インメモリ計算や、量子計算機の極低温制御回路など、従来とは異なる計算原理や動作環境に対応したハードウェアの開発が進んでいる。このようなハードウェアの発展に伴い、演算素子や周辺回路など、それぞれの機能や動作環境に適した材料・物性の開拓が重要になると考えられる。
本研究では、材料機能を開拓する観点から、金属–絶縁体転移や超伝導など、電気伝導性が大きく変化する相転移に着目している。特に、急加熱・急冷によって平衡化を回避し、準安定相を生成することで、不揮発な物性制御法の開拓を進めている。急冷による準安定化は、従来、合金やガラスなど、原子の長距離拡散を伴う構造変化を抑制する手法として利用されてきた。本研究では、この考え方を原子の長距離拡散を伴わない電子相転移へと拡張している。その一例として、競合する電子秩序への相転移を急冷によって回避することで準安定な超伝導相を見いだし、超伝導状態を不揮発かつ可逆に切り替えられることを実証した。これは、準安定相の開拓が不揮発な物性制御につながることを示すものである。
さらに、準安定相を物質設計に基づいて探索するため、どのような物質で準安定化が起こりやすいかを予測する研究を進めている。モデル計算から、異なる秩序を安定化する相互作用の競合によって相転移過程に活性化障壁が生じ、原子の長距離拡散を伴わない系でも準安定相が長寿命化し得ることを明らかにした。このような設計指針を基に、準安定な金属相や超伝導相を開拓し、その生成・消去を利用した不揮発スイッチへの展開を目指している。