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グラフェンを用いたプラズモンの伝搬制御を世界で初めて実証

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グラフェンを用いたプラズモンの伝搬制御を世界で初めて実証
グラフェンを用いたプラズモンの伝搬制御を世界で初めて実証
――電子の波を利用したナノ領域での回路の高速化,超低消費電力化へ前進
NTTと東京工業大学(東工大)は,電子の移動度が高
バへの置き換えが進められてきました.昨今では,光信号を
いなどの特性から近年注目されているグラフェンを利用する
制御することで電子デバイスの一部を光デバイスに置き換え,
ことにより,電子の波であるプラズモンの伝搬速度を2桁に
機器の高速化・低消費電力化を実現する研究が進められて
わたり制御できることを世界で初めて実証しました.従来,
います.しかし,これまで光デバイスのサイズを光の波長
プラズモンの研究では金属が用いられていましたが,NTT
(∼1 000 nm)以下にすることは困難であり,数10 nmで
と東工大はグラフェンに着目し電子密度等を変化させること
あるコンピュータチップ内に用いることができませんでした.
これに対して電子の集団運動であるプラズモンは,光と同
により伝搬速度制御を可能としました.
本成果を用いることにより,光信号をプラズモンの形でナ
様に波の形でデータを伝送することが可能であり,ナノメー
ノメートルサイズに閉じ込め制御することが可能となります.
トルサイズに閉じ込めることができる特性を持つため,コン
将来的には,チップ内の電子回路をプラズモン回路に置き換
ピュータチップ内のデータ伝送・処理の高速化・低消費電
えることでコンピュータやネットワーク機器の大幅な高速化・
力化が可能になると期待されています.本研究分野をプラズ
低消費電力化ができると期待されています.
モニクスと呼び,主に金属表面に現れるプラズモンを用いて
なお,本研究成果は英国時間2013年1月15日に英国科
学雑誌「Nature Communications」で公開されました.
研究されています.しかし,「金属表面プラズモン」は材料
に依存し特性が決まってしまうことから制御性が乏しく,
また金属中での電子の散乱によるデータ損失が大きいという
■研究の背景
課題が指摘されています.そのため,NTTと東工大では電
光によるデータ伝送は電気を用いたデータ伝送と比較し
子の密度を変化させることでプラズモンの特 性を変調でき,
て高速かつ低データ損失というメリットがあります.そのた
データ損失も小さいと考えられているグラフェンに着目しプ
め,インターネットなどの長距離データ伝送やスーパーコン
ラズモンの研究を行ってきました.
ピュータのラック間・ボード間にてメタル配線から光ファイ
オシロスコープ
電磁波による
信号(t=0)
検出用電極
電
流
入射ゲート
プラズモンによる
信号
電圧パルス
0
図 時間分解伝導測定技術
58
NTT技術ジャーナル 2013.3
1
2
時 間
3
4
5(ns)
■研究の成果
NTTと東工大の共同研究チームは,大面積かつ高品位の
グラフェンを作製する技術と時間分解伝導測定技術(図)
度であることが分かりました.これは1原子の厚さ(0.1
nm)で幅10 nmにプラズモンを閉じ込めて伝搬させること
が可能であることを示しています.
を組み合わせることにより,マイクロ波領域(∼10 GHz)
におけるプラズモンの伝搬速度を数10∼数1 000 km/sとい
う非常に大きな範囲にわたり変調することに成功しました.
◆問い合わせ先
NTT先端技術総合研究所
伝搬速度を制御できるということは光の屈折率の制御が可
能となるため,プラズモンのスイッチング・ルーティングな
どが可能になると考えられます.
なお強磁場中では,プラズモンはグラフェンの端に存在す
広報担当
TEL 046-240-5157
E-mail
URL
a-info
lab.ntt.co.jp
http://www.ntt.co.jp/news2013/1301/130115a.html
る「エッジマグネトプラズモン」となり,その幅は10 nm程
共同研究による新研究分野の創出
熊田 倫雄
NTT物性科学基礎研究所
研究者
紹介
量子電子物性研究部
量子個体物性研究グループ
主任研究員(特別研究員)
私はガリウムヒ素半導体中に実現された2次元系における物性を調べてきました.その
過程において,2010年ごろからグループ内および東工大との共同研究を通して時間分解
伝導測定を開始しました.同時期にNTT物性科学基礎研究所内で,グラフェン(炭素原子
1層からなる理想的な2次元系)の大面積,かつ高品位成長技術が確立されました.時間
分解伝導測定では,ある点から入射した信号が別の点まで到達するのにかかる時間を測定
しますので,十分な時間分解能を得るために試料が大面積であることは必要不可欠となっ
ています.したがって,この2つの技術を組み合わせることにより世界のほかのグループ
ではできない研究ができるのではと考えて始めたのが本研究です.
結果として,グラフェンにおけるプラズモンの伝搬速度は2桁にわたって変調可能であ
ることを明らかにしました.2010年の段階で全く予想していなかった今回の結果が得ら
れたのは共同研究の結果であり,さまざまな研究分野を高いレベルでカバーしているNTT
研究所でしかできなかったことだと考えています.今後も,自分自身のスキルを高めてい
くとともに,NTT研究所ならではの技術,知識の組み合わせを活かし,新しい原理に基づ
くデバイスの開発など世の中を大きく変えるような研究を目指します.
NTT技術ジャーナル 2013.3
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