桁違いの処理速度を持つコンピュータチップの開発に繋がる新たな半導体素材が偶然見つかる

半導体素材として現在多く用いられているのはシリコンだが、今回偶然発見された珍しい化合物は、シリコンで作られたコンピュータチップよりも2倍速く情報を転送することができると言う。だがこれは電子の速度を高めることで実現しているのではない。驚くべき事に、新たな化合物は電子の速度を“遅く”することでデータ転送速度を高めているという。

コロンビア大学のJack Tulyag氏らが発見したこの物質は、レニウム、セレン、塩素からなるRe₆Se₈Cl₂と呼ばれる化合物だ。

ウサギとカメ

発見当初、Tulyag氏らはこれが大きな可能性を秘めた物になるとは考えていなかったようだ。彼らはXavier Roy氏の研究室に持ち込み、研究室の新しい顕微鏡の解像度を試してみたかっただけという、全く異なる好奇心からこの物質を調べてみたという。なのだ。しかし、彼らの想像を超え、Re₆Se₈Cl₂は電気を通し、皆を驚かせた。実際、電気を通す能力は銅線とゴムのような絶縁体の中間のようなものであった。言い換えれば、この物質は物理学者が半導体と呼ぶものであり、現代のエレクトロニクスの基幹をなすものであった。

今日最もよく知られている半導体は、周期表の14番目の元素であるシリコンである。シリコンの切れ端を電流につなぎ、その内部を（魔法の素粒子ビジョンで）覗き込むと、原子がわずかに振動しているのが見えるだろう。すべての物質は常にこのような振動をしており、これが熱を生み出している。そして、その振動がフォノンと呼ばれる奇妙で小さな粒子を生み出しているのだ。

光子の方が馴染みがあるかもしれない。光子とは光のエネルギーを運ぶ波状の小さな粒子（あるいは粒子のような波）である。フォノンは光子に似ているが、熱、つまり “振動力学的エネルギー”を運ぶ。

今回の研究に関して、上席著者であるMilan Delor氏はウサギとカメの物語に例えている。シリコンを望ましい半導体にしているのは、電子がその中を非常に速く移動できるからである。しかし、ことわざのウサギのように、電子は跳ね回りすぎて、最終的にはあまり遠くまで速く移動できない。

Re₆Se₈Cl₂が注目される理由はそこにある。電子はRe₆Se₈Cl₂中をゆっくり移動するので、フォノンとぶつかったときに跳ね返されることなく、くっつくのだ。電子とフォノンは一緒になって、「ポーラロン」と呼ばれる準粒子を形成する。こうしてできた準粒子は「重い」ので、亀のようにゆっくりと、しかし着実に進む。途中で他のフォノンに邪魔されることなく、Re₆Se₈Cl₂のポーラロンは、最終的にシリコンの電子よりも速く移動する。

テラヘルツレベルのコンピュータに繋がる可能性

技術的には、Re₆Se₈Cl₂を使ったコンピューター・チップの処理速度は数百から数千倍、現在のギガヘルツレベルからテラヘルツレベルに達する可能性があるとのことだ。だが、落とし穴もある。

Re₆Se₈Cl₂の主成分であるレニウムは、地球上で最も希少な元素のひとつである。レニウムからコンピューター・チップを作ることは、非常に高価な物となり、現実的ではない。もしこの化合物が使われたチップが製造されるとしても、宇宙船や量子コンピュータなどの非常に限定的な部分での利用になるだろうとのことだ。しかし、Tulyag氏と彼の同僚たちは、Re₆Se₈Cl₂とその特異な特性から十分なことを学んだので、同じことができる他の材料を探している。

「室温で持続的な弾道的励起子輸送が見られるのは、この物質だけです。しかし、われわれは、これまで考えてもみなかったような、このような挙動を示す可能性のある他の物質を予測し始めることができるようになったのです。音響ポーラロン形成に有利な性質を持つ超原子材料やその他の2次元半導体材料が、世の中には一通り存在します」と、Delor氏は述べている。

論文

Science: Room-temperature wavelike exciton transport in a van der Waals superatomic semiconductor

参考文献

A superatomic semiconductor sets a speed record
via NewScientist: Fastest ever semiconductor could massively speed up computer chips

研究の要旨

半導体におけるエネルギーと情報の輸送は、電子キャリアと格子フォノンとの散乱によって制限される。我々は、ファンデルワールス(vdW)超原子半導体であるRe₆Se₈Cl₂を用いて、フォノン散乱から遮蔽された電子準粒子である音響励起子ポーラロンの形成を実証した。Re₆Se₈Cl₂における室温でのポラロン輸送を直接イメージングし、ナノ秒から数マイクロメートルの間持続する準弾道的な波状伝搬を明らかにした。遮蔽されたポーラロン輸送は、他のvdW半導体に比べて桁違いに大きな電子エネルギー伝搬長をもたらし、ナノ秒以上ではシリコンをも超える。われわれは、準フラットな電子バンドと強い励起子-音響フォノンの結合が、Re6Se8Cl2の輸送特性を引き起こし、弾道的な室温半導体への道を確立していることを提案する。