Laser Focus World JAPAN　レーザーフォーカスワールドジャパン

August 2, 2013, Menlo Park--米国エネルギー省(DOE) SLAC国立加速器研究所の研究グループは、自然の磁性鉱物、磁鉄鉱で考えられる限りで最速のスイッチングを記録した。
この成果は、シリコンチップの電気の流れを制御する微小なトランジスタに革新を起こすものであり、より高速で強力なコンピューティング機器実現につながるものであると、研究グループは説明している。SLACのLinac Coherent Light Source(LCLS) X線レーザを使用した研究グループは、磁鉄鉱のサンプルで1ピコ秒(ps)で切り替わる電気スイッチを実現。これは、現在使用されているトランジスタよりも数千倍高速である。
SLACおよびスタンフォード大学の材料科学研究者、Nature Materialsに発表された論文の筆頭著者、Roopali Kukreja氏は、「この画期的な研究によって、この材料で初めて電気スイッチングの最高速度が明らかになった」とコメントしている。
LCLSの実験では、サンプルの電子構造がどのように再配置されて伝導性領域に囲まれた非伝導性「アイランド」になるかも示された。これはレーザパルスがサンプルに当たってわずか数100フェムト秒(fs)で始まる。研究は、そのような伝導と非伝導状態がどのように共存し、次世代のトランジスタの電気経路をどのように作るかを示している。
研究グループは最初、各サンプルに可視光レーザを照射した、これによって材料の電子構造が原子スケールでバラバラになり、それが再配置されてアイランドが生まれた。レーザ照射のすぐ後に超高輝度、超短X線パルスが続き、研究グループは初めて最初のレーザ照射で励起されたサンプルにおける変化のタイミングおよび詳細を知ることができた。
X線パルスの間隔をわずかに変えることによって、材料が非伝導から電気的伝導状態に変わる時間を正確に計測し、この切り替え中の構造的変化を観察した。
研究者たちは数10年前からこの電気的構造を原子レベルで解明しようとしてきており、ようやく昨年、別の研究チームがその構成要素を「trimerons」(帯電した3つの鉄原子で構成)を特定した。この成果は、LCLS実験の結果の解釈に重要な洞察を与えるものとされている。
磁鉄鉱は、-190℃に冷却してその電荷を固定しておく必要があった。したがってKukreja氏によると、次のステップはより複雑な材料および室温アプリケーションの研究になる。今後の実験は、新規の化合物の確認、切り替えを生じさせる新しい技術のテスト、現状のシリコントランジスタよりも優れた他の特性を引き出すことになる。研究グループはすでに追跡研究を行っており、室温で同様の超高速スイッチング特性を示すハイブリッド材料が焦点になっている。磁鉄鉱よりも商用候補に適した材料がターゲットになっている。
LCLS実験の主席研究員、スタンフォードの材料・エネルギー科学研究所(SIMES)シニアスタッフ、Hermann Dürr氏によると、より小さくて高速なコンピュータに対する要求に応えるために新しい材料を使って現在の半導体トランジスタを超えようとする研究が世界中で行われている。LCLSには、ピコ秒、フェムト秒で起きる原子スケールのプロセスに狙いを定めることができる独自の能力がある。
磁鉄鉱の基本的な磁気特性は数千年前から知られていたが、Dürr氏の話では、実験では磁鉄鉱の、より新しい電気特性や、より複雑な材料についてLCLSを利用して知ることができた。