超高速光駆動チップ開発へ!世界初の「ペタヘルツ高周波」観測

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超高速光駆動チップ開発へ!世界初の「ペタヘルツ高周波」観測

2016/07/13


 半導体はどこまで速く情報処理できるのか?これまでのような電界による制御では1THzの動作が限界と考えられています。しかし光で電子を制御することができれば、10〜100PHz(ペタヘルツ)という超高速動作も不可能ではないかもしれません。このほど、過去に固体物質中で観測されたことのない1.16PHzという「ペタヘルツ高周波」が、窒化ガリウム半導体内部の電子運動として世界で初めて捉えられました。これは光駆動の超高速チップ開発の端緒になるかも知れません!いったいどんな研究なのでしょうか。

ペタヘルツ高周波

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「ペタヘルツ高周波」って何?

 2016年4月、日本電信電話株式会社(以下、NTTと表記)と東京理科大学が発表した、固体物質中で初めて観測された電子振動周波数のこと。100京(10のマイナス18乗)分の1秒の時間幅で発光する「単一アト秒パルス光源」を用いた時間分解計測によって、窒化ガリウム半導体中で860as(アト秒=10のマイナス18乗分の1秒)の電子振動周期が捉えられた。これを周波数に換算すると1.16PHz(PHzは1秒あたり10の15乗回の振動)となる。

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「ペタヘルツ高周波」観測の意義は?

 現在の情報処理技術の基礎になっているのは、半導体に電気を通し、その応答を利用する信号処理方法だ。微細加工や3次元構造などにより半導体チップの処理高速化が推し進められているが、さらに高速化を図ろうとすると、従来のように電気で制御するのには限界がある。現在のところ、半導体チップの動作周波数の世界記録はDARPA(アメリカ国防高等研究計画)が実現したミリ波発生用チップの1THzで、おそらくこれが限界と言われている。そこで、さらなる高速化のために期待されているのが光による制御だ。
 もともと半導体の光照射に対する応答はアト秒単位に達するほど素早いことが知られており、現在の半導体の電界操作に対する応答がピコ秒(10のマイナス12乗分の1秒)単位であることからすると1000倍は高速である。この素早い応答を制御できれば、現在の限界を超えた半導体の高速処理や新たな機能を実現できる可能性がある。
 しかし半導体内の電子の動きの光による制御はまだ未知の世界。まずは光によって半導体にどんな物理現象が起こせるのかを観測することが先決だ。そこで、NTTと東京理科大は、光を使って半導体内の電子の動きを詳細に捉える研究に取り組んでいる。その画期的な成果が今回の発表である。

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