新しい材料は室温で「量子反転」を実行し、次世代の新しいコンピューティングモデルの開発に役立ちます。

英国の最新号によると ネイチャーコミュニケーションズ  》は、米国が ミシガン大学 室温で導体から絶縁体への「量子反転」を実現できる半導体材料の開発は、新世代の量子デバイスや超高効率電子デバイスの開発に役立ちます。

研究者らは、わずか原子1個分の厚さの2次元硫化タンタル層において、この量子反転を支える異質な電子構造がこれまでは-37.8℃の極低温でのみ安定していたが、新しい材料は最高77℃まで安定していることを観察した。

ミシガン大学の材料科学および工学の助教授ロバート・ホブデン氏は、導体から絶縁体へ切り替える能力など、量子の特異な特性は、情報の保存方法を増やし、状態の切り替えを高速化することで、次世代のコンピューティングの鍵となる可能性があると述べた。これにより、より強力でエネルギー効率の高いデバイスが実現する可能性があります。

今日の電子機器は、小さな電子スイッチを使用してデータを保存します。「オン」は 1、「オフ」は 0 で、電源が切れるとデータは消えます。将来のデバイスでは、デジタル データを保存するために「導体」や「絶縁体」などの他の状態を使用する可能性があり、状態を切り替えるには、安定した電流ではなく、急激なエネルギーのバーストのみが必要になります。

これまで、この異様な挙動は超低温の材料でのみ観察されており、科学者の究極の目標は、室温で要求に応じてある状態から別の状態に素早く「反転」できる材料を開発することであり、この研究はその方向への重要な一歩となる可能性がある。

「極低温でのこれまでの研究では、この反転を必要に応じて何度でも実行できることが示されています」とホブデン氏は言う。「それがこのプロジェクトの焦点では​​ありませんでしたが、室温で 1 回の反転でも安定に保つことができたという事実は、多くの刺激的な可能性を切り開きます。」

導体から絶縁体への反転は、電荷密度波と呼ばれる現象によってサポートされています。電荷密度波は、特定の条件下で自発的に発生する、正電荷と負電荷の整然とした結晶のようなパターンです。

「電荷密度波はこれまでも硫化タンタルのバルクサンプルで観測されてきたが、その材料は極低温でなければならなかった」とホブデン氏は言う。「いくつかの2D層を織り交ぜることで、はるかに安定したものにすることができた。」

研究チームはまず、原子1個分の厚さの硫化タンタルの層を複数重ね合わせたサンプルを作成した。各層は、タンタルと硫黄の原子の特定の配置を指す八面体状態と呼ばれる半導体です。いくつかの電荷密度波は存在しますが、それらは不安定かつ無秩序すぎるため、導体-絶縁体反転などの異常な動作を生成することはできません。

ホブデン氏のチームは、電子顕微鏡でその過程を観察しながら、酸素のない環境でサンプルを加熱した。サンプルが加熱されると、層が層ごとに切り替わり、同じ原子が異なる配置になる柱状状態になります。

すべてではないもののほとんどの層が角柱状態に切り替わった後、研究者らはサンプルを室温まで冷却し、八面体状態のまま残った層が整然とした安定した電荷密度波を示し、77℃の温度までこの状態を維持することを発見した。さらに、層は半導体から絶縁体へと変化しました。

導体と絶縁体は不変の概念ではなく、特定の条件下では相互に変化することがあります。今回、研究者たちは、現代のマイクロエレクトロニクスの有望な材料と考えられている二硫化タンタルに着目した。これまで、いくつかの研究では、超短レーザーまたは電子パルスを使用して二硫化タンタルを照射し、絶縁体から導体に変化させていました。この記事で紹介されている研究では、単一原子の厚さの硫化タンタルサンプルを挟み込んだ複数の層を作成し、タンタルと硫黄の原子が特定の配置を持ち、温度に応じて伝導特性が変化できるようにしました。しかし、この変換のメカニズムと理論的根拠については、さらに説明する必要があるかもしれません。