ガラスを原子1個分の太さまで細くすると、熱はどのように伝わるのか。Sai C. Yelishala氏、Yunxuan Zhu氏、P. M. Martinez氏らの研究チームが、非晶質二酸化ケイ素（シリカ）の原子スケールの接合で、理論上限の約40％に相当する熱コンダクタンスを測定することに成功した。接合の両端に1 K（1℃）の温度差があるときの熱流を表す「熱コンダクタンス」の代表値は380 pW/Kで、比較対象となる3つの振動チャネルの理論上限951 pW/Kに対して約40％に達した。この成果は2026年10月13日付で学術誌『Nature Nanotechnology』に査読済み論文として掲載され（DOI: 10.1038/s41565-026-02308-9）、コロラド大学ボルダー校が11月10日、マドリード自治大学が11月12日に紹介した。今回の研究は、極めて細いガラス接合の熱輸送を明らかにするとともに、電気を通さない原子接合を熱の信号で検出する新たな測定手法を示している。
電気を通さない原子接合を熱で検出する
研究チームは、加熱器と温度計を組み込んだ長さ95 µmのガラス製微小梁を使用し、超高真空中でガラス表面に接触させる実験を行った。接触した状態から微小梁をゆっくり引き離すと、両者をつなぐ接合部分が次第に細くなり、最終的に破断する。研究チームは、この過程で接合を通過する熱の流れを連続的に測定した。マドリード自治大学の発表によると、引き離す操作を約2,000回繰り返し、破断直前に最も頻繁に観測される熱コンダクタンスを求めた。なお、この約2,000回は測定操作の繰り返し回数であり、2,000個の独立した試料を調べたことを意味するものではない。
実験では、探針の温度を約380 Kに保ち、周囲との間に約90 Kの温度差を設けた。微小な温度変化の検出には、温度によって電気抵抗が変化する窒化ニオブを利用している。ガラス接合を通って熱が移動すると探針の温度が変化するため、その変化を読み取ることで接合の形成や破断を捉えられる。ここでの380 Kは加熱された探針の温度であり、後述する理論上限の計算に用いた335 Kとは異なる。
従来、金属の原子接合や単分子接合の実験では、導電性の電極間に流れる電流を測定し、接合の状態を追跡する方法が使われてきた。しかし、シリカは電気絶縁体であるため、この方法をそのまま適用することは難しい。シリカはコンピューターチップの絶縁層にも利用される材料だが、電気を通さなくても熱は伝える。研究チームはこの性質を利用し、熱の流れをフィードバック信号として使うことで、電流に頼らず原子スケールの接合を検出できるようにした。装置の構成や検出手法の詳細は、論文の補足資料に記載されている。
理論上限の40％とは何を意味するのか
今回測定された380 pW/Kという熱コンダクタンスは、3つの振動チャネルが完全に熱を伝える場合の理論上限951 pW/Kに対して約40％に相当する。この割合を理解するには、原子の振動による熱輸送と、その理論的な上限を区別する必要がある。論文の補足資料Note 13では、探針と試料の平均温度335 Kを基準に、1つの振動チャネルが熱を伝える際の理論基準となる「熱コンダクタンス量子」を計算している。この値は317 pW/Kで、と表される。
原子スケールの接合では、接合方向に沿った縦振動が1つ、接合方向に垂直な横振動が2つあり、合計3つの振動チャネルを考えることができる。これらのチャネルが散乱を受けず、すべての熱を完全に透過させる理想的な条件では、熱コンダクタンスの上限は$3G_0$となる。335 Kでは、この値が951 pW/Kに相当する。一方、今回の実験で得られた代表値380 pW/Kは約$1.2G_0$であり、3チャネルの理論上限に対して約40％となった。
| 比較する量 | 335 Kでの値 | 区分 |
|---|---|---|
| 接合の熱コンダクタンスの代表値 | 380 pW/K（$1.2G_0$） | 実測 |
| 1チャネルの熱コンダクタンス量子 | 317 pW/K（） | 理論基準 |
| 3チャネルが完全透過する場合の上限 | 951 pW/K（$3G_0$） | 理論上限 |
表の数値は論文の補足資料Note 13に基づく。380 pW/Kを951 pW/Kで割ると約0.40となり、理論上限の約40％という結果が得られる。
重要なのは、この40％が従来のガラス材料と比較した性能向上率ではなく、同じ温度条件における理論上限に対する実測値の割合だという点だ。熱コンダクタンスは接合全体を通る熱の流れやすさを表す量で、単位にはW/Kを用いる。材料固有の熱の伝わりやすさを表す熱伝導率（W/(m K)）とは異なるため、ガラスの熱伝導率が40％向上したという意味ではない。また、実測値が1チャネルの熱コンダクタンス量子を上回っていても、3チャネルを合わせた理論上限$3G_0$を下回っているため、理論と矛盾するものではない。
測定結果には不確かさも伴う。測定と校正に由来する誤差を含めると、熱コンダクタンスの代表値は380±43 pW/K、熱コンダクタンス量子で表すととなる。さらに、分布のピークを推定する際の影響や近接場放射の寄与を保守的に考慮すると、総不確かさはに広がる。一方、接合ごとの測定値のばらつきを表す標準偏差は約$0.22G_0$で、代表値の推定誤差とは別の指標だ。これらの数値は95％信頼区間として示されたものではなく、測定値そのもののばらつきと、代表値をどの程度正確に推定できるかは区別して評価する必要がある。
原子配列が無秩序なガラスでも熱が伝わる理由
今回の研究で注目されるのは、原子配列に規則性がない非晶質シリカでも、原子1個分の太さの接合では比較的大きな熱コンダクタンスが得られたことだ。研究チームは、実験結果と原子レベルのシミュレーションを組み合わせ、このような極めて細い接合では、原子配列の無秩序さが必ずしも熱輸送を大きく制限するわけではないと解釈している。そこで重要になるのが、原子振動の周波数の上限を特徴づける「デバイ周波数」である。シリカを構成するシリコンと酸素は金よりも軽く、より高い周波数で振動できるため、この性質が原子スケールの接合における熱輸送に関係していると考えられる。
研究チームは、この仕組みを調べるため、分子動力学シミュレーションによる原子モデルを構築した。まず30×30×20 nmのモデルを溶融・急冷して非晶質構造を作り、そこから先端半径10 nmの探針と厚さ4 nmの基板を取り出した。接触解析前のモデルには132,258個の原子が含まれていたが、これは計算に用いたモデルの規模であり、実験で調べた試料数ではない。
非平衡分子動力学シミュレーションでは、380 Kと290 Kに設定した2つの熱浴を用い、実験と同じ90 Kの温度差を与えた。その上で、接合内の4つの断面を通過する熱流を周波数ごとに解析したところ、各断面で得られた結果は数値ノイズの範囲内で一致した。研究チームはこの結果を、原子振動が接合内部でほとんど散乱されずに伝わる「弾道輸送」を支持するものと解釈している。論文では、振動の位相が保たれた「コヒーレントな輸送」が起きていると説明しており、4つの断面で熱流が一致したことを、その根拠の一つとしている。また、計算では単一の原子接合だけでなく、2本または3本の接合が並列につながった場合も検討された。
ただし、原子構造や接合内部の各断面を通る熱流を詳しく調べたのはシミュレーションであり、実験で原子の振動を直接撮影したわけではない。今回の研究は、実測した熱コンダクタンスを原子モデルから得られた輸送メカニズムによって説明したものだ。原子配列の無秩序さだけを独立に変化させ、さまざまな材料や寸法でその影響を検証した実験ではないため、得られた解釈をあらゆる非晶質材料に当てはめることはできない。現時点で示されたのは、今回扱ったシリカの原子スケールの接合において、原子振動が効率よく熱を運ぶ可能性である。
絶縁体の熱輸送を調べる新たな実験基盤
研究チームは、測定結果の再現性を確認するため、別の微小デバイスと探針を使った追加実験も行った。約500回の引き離し測定では、熱コンダクタンス分布のピークとしてが得られ、最初の実験で求めた$1.2G_0$と整合する結果となった。マドリード自治大学も、別の探針と試料を使って結果を確認したと説明している。さらに、接合の破断時の値や手動で付与したラベルを入力に含めない教師なし分類でも、複数の測定記録群に$1.2G_0$付近のピークや肩が確認された。こうした結果は、今回の熱コンダクタンスが一部の例外的な測定記録だけに由来するものではないことを支持している。
ただし、これらは同一研究チーム内での再現性を確かめたものであり、独立した研究グループによる追試とは区別する必要がある。異なる測定装置や実験条件でも同様の結果が得られるかどうかは、今後の検証課題となる。
今回開発された手法の意義は、原子スケールの熱輸送を調べられる材料の範囲を広げられる点にもある。金属電極と分子のように異なる材料を接合した場合、材料間の振動特性の違いが熱の伝わり方に影響する。一方、接合部分とその両側を同じシリカで構成すれば、異種材料の境界に生じる振動の不整合を避けた条件で熱輸送を調べられる。電流ではなく熱の信号で原子接合を検出できる今回の技術は、これまで測定が難しかった絶縁体の原子スケールの熱輸送を研究するための新たな基盤となる。
コロラド大学ボルダー校の2026年11月10日付の発表で、Longji Cui氏は電子機器内部の熱管理が極めて重要であると指摘し、ナノスケールのデバイスで熱がどのように流れるのかを理解する必要性を強調した。研究チームは、今回の成果が将来的に熱ダイオードや熱トランジスタなど、熱の流れを制御する素子の研究につながる可能性にも期待している。ただし、今回実証されたのは原子接合の熱コンダクタンスを測定する技術であり、熱流を一方向に制御したり、外部から切り替えたりする素子が実現したわけではない。今後、独立した追試や異なる材料・接合構造での測定が進み、原子振動による熱輸送をどのような条件で制御できるかが明らかになれば、絶縁体を利用した新たな熱制御素子の設計につながる可能性がある。
