小型化の壁を破るナノスケール光スイッチ

March, 24, 2014, Nashville/Birmingham--超高速、超小型光スイッチが発明された。これは、携帯電話から自動車までの広い範囲のコンシューマ製品の内部でフォトンがエレクトロニクスに取って代わる日への前進を示している。
この新しい光デバイスは、1秒間に数兆回ON/OFFでき、直径わずか200nmの個々のスイッチで構成されている。このサイズは現行世代の光スイッチよりも遙かに小さく、これは光を検出し制御するという電子デバイスの拡大の主要な技術障害の1つを容易に打破するものとなる。
この新しいデバイスは、バンダビルト大学、アラバマ・バーミンガム大学、ロスアラモス国立研究所の研究チームが開発し、Nano Lettersに論文が掲載された。
この超高速スイッチは、自然界では発見できない特性を持つように設計された人工材料でできている。この場合、「メタマテリアル」は二酸化バナジウム(VO2)のナノ粒子、金属相の不透明と、半導体相の透明との間で素早くスイッチできる結晶性固体でできている。これはガラス基板に成長し、微細な金ナノ粒子「ナノメッシュ」でコーティングしている。
研究チームの報告によると、このようにコーティングしたナノ粒子に超高速レーザの短パルスを照射すると金のナノメッシュに高温電子が生成し、それがVO2に飛び込んで、1秒間に数兆回の相転移が起こる。
情報と通信技術の進化で次のステップとして、業界も政府もオプティクスとエレクトロニクスの統合に向けて巨額投資を行っている。Intel、HP、IBMは過去5年の間にギガヘルツ(GHz)速度の動作に光機能を高めるチップの実現に取り組んできたが、これはVO2の1/1000の速度に過ぎない。
Haglund氏によると、VO2スイッチはオプトエレクトロニクスアプリケーションにとって理想的な多くの特性を持つ。同氏はスピードとサイズ以外に次の点を挙げている。

・現在のIC技術に完全適合。シリコンベースのチップと新しい「High-k誘電体」材料の両方に適合している。
・可視光と、通信用途に適している近赤外域とで動作する。
・動作あたりで発生する熱は、このスイッチを実用的なデバイスにパッケージできる程度であり、ビットあり100フェムトジュール。

Haglund氏によると、VO2の特性は半世紀以上前から知られていたが、過去数年のコンピュータによる集中研究によって半導体－金属転移の物理学が説明できるようになったと言う。
(詳細は、 www.vanderbilt.edu/March 12 issue of the journal Nano Letters)