本記事は MIT Newsと協力して掲載されています。
ムーアの法則は50年にわたり、より小型で安価かつ高速な電子機器を可能にしてきましたが、次の技術的飛躍を実現するには、量子材料のような新たなパラダイムが必要になると、Materials Processing CenterのディレクターであるCarl V. Thompson氏は、MITで毎年開催されるMaterials Day Symposiumで語りました。
グラフェン、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、そしてダイヤモンド中の窒素空孔中心を含む新たな量子材料群は、近年の科学研究の最前線にあります。これらは、その特異な電子的、光学的、磁気的特性について研究が進められており、センシング、情報処理、メモリへの応用の可能性に特に関心が寄せられています。
「こうした材料は必ずしも代替技術の基盤となるとは限らないが、（それらは）従来の集積回路技術を補完する技術の基盤となることは確実だ」とThompson氏は述べました。MPCのディレクターを務めることに加え、Thompson氏はMITのStavros Salapatas Professor of Materials Science and Engineeringでもあります。
ダイヤモンドの支配をめぐる争い
ダイヤモンド・スピントロニクスは、ナノ磁気イメージング、ジャイロスコープ、量子情報処理などを含む幅広い応用への期待を持っていると、Element Six最高技術責任者のDaniel Twitchen氏は2015年10月14日のシンポジウムで語りました。Twitchen氏は、合成ダイヤモンドの成長における進歩が、ダイヤモンドの望ましい特性を活用した応用の実現に役立っていると報告しました。その特性には、強度、広い光学的透明性、化学的・生物学的安定性から、あらゆる物質の中で最も高いバルク熱伝導率を持つことまで含まれます。
純粋なダイヤモンドは炭素原子のみからなる格子を形成しますが、ダイヤモンド格子には窒素空孔欠陥と呼ばれる不純物を生じさせることができます。窒素空孔中心（NV中心）ダイヤモンドは、格子内で炭素原子が欠落した空きスペースに隣接して、炭素原子の代わりに窒素原子が対になっていることから、このように呼ばれます。窒素空孔ペアはダイヤモンドをピンク色にします。これらの窒素空孔カラーセンターは、室温で最長数秒間、量子・スピントロニクス特性を保持できると同氏は指摘しました。「これに対してマイクロ波スイープを当て、励起中の光を観察しながら、これらの状態から出てくる光を見ます。ゼロ状態に当たると明るくなります」とTwitchen氏は説明しました。「1状態に当たると暗くなります。これが光学的検出磁気共鳴信号となり、それが私の読み出しです」
組み込み型エレクトロニクス
電気工学・コンピューター科学準教授のTomás Palacios氏は、2次元（2D）材料をあらゆる使用する物体や身に着ける物体に組み込むことで、電子機器を100倍に増やす機会があると考えています。Palacios氏が構想する配線された物体には、次のようなものがあります。スマートフォンなどの機器をワイヤレスで充電する電子壁紙や机、従来の照明に代わって点灯する天井、透明ディスプレイを兼ねる窓、大面積の分散型スピーカー、そしてあらゆる場所に設置されたセンサーです。
「2次元材料は、あらゆる物体に電子機能をもたらし、電子機器の性能密度を10パーセントではなく5桁から6桁も高めることのできるマイクロシステムの将来にとって重要な要素だと、私は強く確信しています」とPalacios氏は述べました。同氏の研究室では、化学気相成長法（CVD）により銅箔上に単層グラフェンを成長させ、紙や衣類を含むあらゆる基板にグラフェンを転写するロボットシステムを開発しました。2次元材料の性能は今や多くの用途に十分なレベルに達している、と同氏は述べました。グラフェンは構造用鋼の200倍の強度があり、どの金属よりも電気をよく通すと指摘しました。グラフェン製品には、高性能のテニスラケットや、フレキシブル電子システム用の導電性インクが含まれます。同氏の最新の研究では、2次元材料を折り畳み、次世代のマイクロ・ナノシステムを実証しています。
物理学における革命
MITのMitsui Career Development Associate Professor of Physicsである Pablo Jarillo-Herrero氏は、原子レベルで薄い層状材料は凝縮系物理学における革命だと述べました。同氏は、グラフェンと六方晶窒化ホウ素の層がモアレパターンを形成し、電子バンドギャップを持ちうることを示した研究について説明しました。このモアレパターンは、これら極薄材料のハニカム構造の重なりによって生じるもので、グラフェン/六方晶窒化ホウ素層のねじれ角によって変化します。その結果、バンドギャップも、それらの結晶構造のねじれ角によって変化することがわかりました。「私たちが仮説として立てたのは、電荷中性点でバンドギャップが実際に開いており、それはこのグラフェンとこの六方晶窒化ホウ素の結合によるものだということです」とJarillo-Herrero氏は説明しました。
MITにあるJarillo-Herrero氏の研究室は、関連する極薄半導体材料である単層二セレン化タングステンを用いて、厚さ1ナノメートル未満の世界で最も薄いダイオードも作製しました。この単層二セレン化タングステン・ダイオードは、フォトディテクターや発光ダイオード（LED）としても機能しうるものです。
トポロジカル絶縁体の探求
MITのLawrence C. (1944) and Sarah W. Biedenharn Career Development Associate Professor of Physicsである Nuh Gedik氏は、セレン化ビスマスなどの材料に関する画期的な研究について説明しました。これらの材料は、内部では電気を通さないものの、端に沿っては自由に導通するため、トポロジカル絶縁体として知られています。「表面では、電場を加えると磁気応答が得られ、その逆も成り立ちます」とGedik氏は述べました。「この効果を用いてメモリビットの切り替えを考えることができます、など」
Gedik氏の研究では、超高速レーザー光学と角度分解光電子分光法（ARPES）を組み合わせ、トポロジカル絶縁体の表面電子を測定しています。Gedik氏は、固体におけるFloquet-Blochバンドの初めての実証となった研究室での実験の映像を示しました。「光が入ってくると、エネルギー中に電子分散の複製が形成されるのが見え、光が出ていくと、それらも消えます。光が存在するとき、これらの追加のコヒーレントなバンドが形成されるのが見えます」とGedik氏は述べました。「…送り込んでいる光子は電子と混成し、これらの混成バンド、すなわち光子-電子バンドを形成します。実用上、これらは実際には本物のバンドと同様にふるまいます」。その後の実験により、円偏光は時間反転対称性を破り、材料中にバンドギャップを開くことが示されました。
ナノスケール磁性の測定
ハーバード大学の物理学教授であるAmir Yacoby博士は、窒素空孔中心ダイヤモンドに基づく新しいセンサーの開発について説明しました。このセンサーは、磁場を測定し、コンピューティングへの応用が期待されるスキルミオンの構造と電荷を捉えるものです。同氏はこれを、ナノスケールにおける磁気共鳴画像法（MRI）の再発明になぞらえました。グラフェンのフレークなど、多くの新材料は極めて小さいため、従来の測定ツールの多くを適用できるほど十分な大きさの試料がありません。
「材料を特性評価するこうした新しいアプローチを開発することで期待しているのは、材料特性について新たな知見が得られるだけでなく、あらかじめ定められた特性を持つ材料を設計する能力も高まることです」とYacoby氏は述べました。同氏は量子情報科学の知見を応用し、磁場を検出するセンサーを作製しました。「これらの量子ビットが環境に対してこれほど敏感なのであれば、環境のセンサーとして実際に使ってみてはどうでしょうか」とYacoby氏は述べました。「検出と初期化は光学的に行われ、制御はマイクロ波を用いて行われます」と同氏は説明しました。「信号を不確かさと比較する非常に単純な方法があり、これによって感度が得られます」。「走査型探針を用いて、同氏のグループは空間内の静的な電子スピンを画像化しました」とYacoby氏は述べました。この新しいツールは、材料中の欠陥、材料間の界面、固体内部の核スピンを調べるために用いることができます。
新規スキルミオン・コンピューティング
Intelのマイクロプロセッサ研究所の特別顧問であるGeorge Bourianoff博士は、ますます多くの人々や機器がモノのインターネット（IoT）に接続されるにつれ、インターネットを支えるコンピューターは、厳密なブール論理関数から認知機能へと移行する必要があると述べました。「ポストCMOSのコンピューティングで求められるのは、ビットやビット列ではなく、パターンや画像ストリームです。近似的で確率的なものが必要です。非線形演算子が必要です。そして、学習可能で、目の前の課題に適した複雑な接続トポロジーが必要です」とBourianoff氏は説明しました。
この新しいパラダイムの一つの可能性はリザーバーコンピューティングであり、スキルミオン・アレイはリザーバーコンピューティングを実装する一つの可能性です。「リザーバーコンピューティングの基本は、動的システムが複数の画像ストリームを、はるかに認識しやすい単一のスナップショットへと縮約することです」とBourianoff氏は述べました。「リザーバーコンピューティングには、数学的に厳密な基礎があります。」リザーバーコンピューティングを実装する一つの可能性は、磁性スキルミオン・アレイです。同氏は磁性スキルミオンを、渦巻き状の配置をもつスピン組織内のキラルなスピン構造として定義しました。「それらは最小で1量子の情報を符号化することも、数千量子を符号化することもできます。生成と読み出しが可能で、理想的にはリザーバーコンピューティングを実装する物理系を提供できます」と同氏は述べました。
量子を可能にする存在としてのダイヤモンド
窒素空孔中心ダイヤモンドのピラーは無制限のメモリ記憶容量をもたらしうると、Center for Integrated Quantum Materials（CIQM）の共同主任研究者であるGary L. Harris氏はシンポジウムで語りました。ワシントンD.C.にあるHoward Universityの大学院長を務めるHarris氏は、量子ビット（キュービット）応用に用いるため、NV中心ダイヤモンドのピラーを成長させる新しい手法を開発しました。これらのピラーは、ウェハーの周囲にアレイ状に形成できます。「考え方は、これらすべての小さなメモリセルを作ることです。そのため、私たちは解けないはずの問題を解決したのです。無限のメモリ記憶容量と能力を持っているからです」とHarris氏は述べました。
このプロセスでは、自己組織化ジブロック共重合体マスクを用いて、窒素空孔中心を持つダイヤモンドのピラーを成長させます。窒素空孔カラーセンターは、容易に読み出せる単一スピン系を形成します。「ある周波数の光を入れると、別の周波数の光が出てきます。緑色の光を入れると、赤色の光が出てきます。赤色光の強度から、系のスピン状態がどのようなものかがわかります」とHarris氏は述べました。「このダイヤモンド技術を実用的なものにするには、大規模基板が必要になります。それがシリコン技術の発展における切り札でした。基板のサイズは大きくなり続けました」と同氏は述べました。
「Quantum Materials」シンポジウムに際し、MPCはハーバード大学を拠点とする Center for Integrated Quantum Materialsと協力しました。多拠点のCIQMは、国立科学財団（National Science Foundation）の資金提供を受けた5年間のプロジェクトで、ハーバード大学のRobert M. Westervelt（Mallinckrodt Professor of Applied Physics and of Physics）が主導しています。CIQMへのMITの参加は、共同主任研究者であるRay Ashoori（物理学教授）が主導しており、Materials Processing Centerを通じて管理されています。約223名がMaterials Day Symposiumに参加しました。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Denis Paisteは、MITのMaterials Processing Centerに勤務しています。
画像：従業員がコンピューターのキーボードで入力している。REUTERS/Stoyan Nenov。
