初のペタヘルツ速度フォトトランジスタが周囲条件で動作

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ペタヘルツ速度のトランジスタの開発に使用した商用トランジスタを手に持つ、物理学および光科学の准教授であるモハメド・ハッサン氏（右）と、光学および物理学を研究している大学院生のモハメド・センナリー氏。 （画像：研究者ら）

超高速の光パルスによって、今日の最高のプロセッサーの 100 万倍の速度でコンピューターを動作させることができたらどうなるでしょうか?アリゾナ大学の研究者を含む科学者チームは、それを可能にするために取り組んでいます。

画期的な国際的な取り組みとして、理学部物理学科とジェームズ・C・ワイアント光科学大学の研究者らは、1兆分の1秒未満の光パルスを使ってグラフェン内の電子を操作する方法を実証した。トンネリングとして知られる量子効果を活用することで、彼らは電子がほぼ瞬時に物理的障壁を回避することを記録しました。これは、コンピューター処理能力の潜在的な限界を再定義する偉業です。

研究は Nature Communications に掲載されました。 この技術がどのようにしてペタヘルツ範囲の処理速度を実現できるのかを強調しています。これは現代のコンピュータ チップよりも 1,000 倍以上高速です。

このような速度でデータを送信できれば、私たちが知っているコンピューティングに革命が起こるだろうと、物理学と光科学の准教授であるモハメド・ハッサン氏は述べた。ハッサンは長年にわたって光ベースのコンピューター技術を追求しており、以前は世界最速の電子顕微鏡の開発を主導してきました。

「私たちは人工知能ソフトウェアなどの技術開発において大きな進歩を経験しましたが、ハードウェア開発のスピードはそれほど速くはありません」とハッサン氏は述べた。 「しかし、量子コンピューターの発見に頼ることで、現在の情報技術ソフトウェア革命に適合するハードウェアを開発することができます。超高速コンピューターは、宇宙研究、化学、ヘルスケアなどの発見に大きく貢献するでしょう。」

ハッサンは、大学の同僚で物理学の助教授であるニコライ・ゴルベフと一緒に働きました。モハメド・セナリー氏、光学と物理学を研究する大学院生。ジャリル・シャー、物理学の博士研究員。そして光学大学院生のミンルイ・ユアンさん。彼らには、カリフォルニア工科大学のジェット推進研究所とドイツのミュンヘンのルートヴィヒ マクシミリアン大学の同僚が参加しました。

研究チームは当初、炭素原子の単層で構成される材料であるグラフェンの修飾サンプルの導電率を研究していました。レーザーがグラフェンに照射されると、レーザーのエネルギーによって材料内の電子が励起され、電子が移動して電流が形成されます。

場合によっては、それらの電流が互いに打ち消し合うことがあります。ハッサン氏は、レーザーのエネルギー波が上下に移動し、グラフェンの両側に等しい逆向きの電流を生成するためにこれが起こると述べた。グラフェンの対称的な原子構造により、これらの電流は互いにミラーリングして打ち消し合い、検出可能な電流は残りません。

しかし、単一の電子がグラフェンをすり抜けて、その移動をリアルタイムで捕捉して追跡できるとしたらどうなるでしょうか?このほぼ瞬時の「トンネリング」は、チームがさまざまなグラフェン サンプルを変更したことによる予期せぬ結果でした。

「それが私が科学で最も好きなところです。本当の発見は、予想外の出来事から生まれるのです」とハッサン氏は語った。 「研究室に入ると、何が起こるかを常に予想します。しかし、科学の本当の美しさは、さらなる調査につながる小さな出来事が起こることです。このトンネル効果が達成されたとわかったら、さらに詳しく調べる必要がありました。」

研究者らは、特殊なシリコン層を導入するように改造された市販のグラフェン フォトトランジスタを使用し、638 アト秒の速度でオンとオフを切り替えるレーザーを使用して、ハッサン氏が「世界最速のペタヘルツ量子トランジスタ」と呼ぶものを作成しました。

トランジスタは、2 点間の電気の流れを制御する電子スイッチまたは増幅器として機能するデバイスであり、現代のエレクトロニクスの開発の基礎となります。

「参考までに、1アト秒は1京分の1秒です」とハッサン氏は語った。 「つまり、この成果は、ペタヘルツ速度のトランジスタの実現による超高速コンピュータ技術の開発における大きな前進を意味します。」

科学の進歩の中には温度や圧力などの厳しい条件下で起こるものもありますが、この新しいトランジスタは周囲条件でも動作し、商業化と日常の電子機器への使用への道を開きました。

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