東工大、半導体での朝永-ラッティンジャー流体の励起素過程の観測に成功

東京工業大学(東工大)とNTTは、は、 半導体ナノ構造中において「朝永-ラッティンジャー流体」の励起素過程の観測に、一次元プラズモン回路である量子ホールエ ッジチャネルを複数用いて、人工的な朝永-ラッティンジャー流体を形成し、プラズモン波束の反射波の時間分解測定を行うことで成功したと発表した。

同成果は、同大大学院理工研究科の鎌田大 博士研究員と藤澤利正 教授、NTT物性科学基礎研究所の村木康二 上席特別研究員らの共同研究グループによるもの。詳細は、英国科学雑誌「Nature Nanotechnology」オンライン速報版に掲載された。

さまざまな分野への応用が期待されているテラヘルツ領域だが、まだまだ未開拓な電磁波領域で、さまざまな研究開発が行われている。中でも電磁波と電気伝導の性質を兼ね備え、テラヘルツ領域の信号をナノオーダーの微小領域に閉じ込めることができる電子の集団運動「プラズモン」は、ギガヘルツ領域で動作する従来の電子デバイスを超えるプラズモニクス(プラズモンエレクトロニクス)として、超高速の信号処理を実現する技術として期待されている。

プラズモンの研究はこれまで主に2次元プラズモンの研究が進められてきたほか、強磁場中の2次元電子系で実現する量子ホールエッジチャネルは、ギガヘルツからテラヘルツ領域で減衰の少ない理想的な1次元プラズモン回路として期待されている。しかし、1次元プラズモン回路は、試料端に沿った閉回路を成すため、複数のプラズモン回路の間で信号を伝達する手法は確立されておらず、応用するうえでの障害となっていた。

また、これまでの研究から、双方向に伝播する1次元電子系は、伝播方向が異なる電子間の相互作用によって朝永-ラッティンジャー流体になるが、従来の観測手法では、その励起素過程を観測することはできなかった。そこで研究グループは、今回、そうした課題の解決に向けた研究を行った。

具体的には、対向する2つの一方向に伝播する1次元伝導チャネルである「量子ホールエッジチャネル」を近接し、GaAs/AlGaAs積層構造を用いた人工的な朝永-ラッティンジャー流体を形成し、半導体積層構造の表面に金属ゲート電極を作製し、強磁場中で形成される量子ホールエッジチャネルのうち、近接する量子ホールエッジチャネルの対が人工的な朝永-ラッティンジャー流体として振る舞うことを利用し、片方の量子ホールエッジチャネルにプラズモン波束を入力したところ、境界で朝永-ラッティンジャー流体が励起し、もう一方の量子ホールエッジチャネルのにて正の電荷量をもつ余剰のプラズモン波束が検出器に到達する様子を観測することに成功したという。

また、朝永-ラッティンジャー流体がもう一方の境界に到達すると、朝永-ラッティンジャー流体は消滅し、負の電荷量を持つ余剰のプラズモン波束が検出器に到達する様子も観測することに成功したという。

なお研究グループでは、今回の成果により、複数のプラズモン回路を集積化して、機能的な回路を構成することが可能になったほか、出力波束の大きさや波形、出射のタイミングは回路間の結合を制御することで可変できるため、出射信号に機能性を持たせることも可能であることが示されたとする。また、同様のプラズモン回路はシリコン半導体やグラフェンなどの材料でも実現でき、一次元プラズモン回路を用いた共振回路や遅延制御器などを、組み合わせることで、ギガヘルツからテラヘルツ領域で動作するプラズモン集積回路に応用することができるようになるため、テラヘルツ帯のブロードバンド通信技術やテラヘルツ光のイメージング処理などへの応用展開に道が開かれたとしている。