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分子スイッチ

18.03.2023

東京大学物性研究所などの国際研究チームが画期的な発見をした。彼らは、フラーレンと呼ばれる単一分子をトランジスタのようなスイッチとして使用することに成功しました。チームは、入力電子の経路を予測可能に制御できるように、細かく調整されたレーザーパルスを適用することでこれを達成しました。

フラーレン分子によって提供されるスイッチングプロセスは、マイクロチップで使用されるスイッチよりも大幅に高速であり、使用するレーザーパルスに応じて XNUMX ～ XNUMX 桁の速度の増加が見られます。ネットワーク上でフラーレンスイッチを使用すると、電子トランジスタで利用できる機能を超える機能を備えたコンピューターが実現する可能性があります。さらに、顕微鏡イメージングデバイスに革命をもたらし、前例のないレベルの解像度を実現する可能性があります。

70 年以上前、物理学者は、分子が電界の存在下で電子を放出し、次に特定の波長の光を放出することを発見しました。電子の放出は、好奇心をかき立てたが説明を逃れたパターンを生成しました。しかし、それは新しい理論的分析のおかげで変わりました。その影響は、新しいハイテクアプリケーションにつながるだけでなく、物理的な世界自体を精査する能力を向上させる可能性があります。

フラーレンスイッチが列車のスイッチのように機能する仕組みを簡単に例えます。光パルスは、ここでは回路で表されている入力電子がたどる経路を変えることができます。

特任研究員の柳沢博文らは、励起されたフラーレン分子からの電子放出が、特定の種類のレーザー光にさらされたときにどのように振る舞うべきかを理論化し、その予測をテストした後、彼らはその予測が正しいことを発見しました。

光の運動量に応じて、電子はデフォルトのコースにとどまるか、予測可能な方法で方向を変えることができます。つまり、線路や電子トランジスタのポイントを切り替えるのと少し似ていますが、はるかに高速です。科学者たちは、従来のトランジスタよりも 1 万倍速いスイッチング速度を達成できると信じています。そして、これがコンピューティングの真のパフォーマンスにつながる可能性があります。しかし、同じように重要なのは、レーザーを調整してフラーレン分子を同時に複数の方法で切り替えることができれば、XNUMX つの分子に複数の微細なトランジスタを配置するようなものになる可能性があるということです。

スイッチの心臓部にあるフラーレン分子は、おそらくもう少しよく知られているカーボンナノチューブに関連していますが、フラーレンはチューブではなく、炭素原子の球体です。金属ドット (本質的にはヘアピンの先端) に置かれると、フラーレンは特定の方向に向けられ、予測可能な方法で電子を誘導します。フェムト秒、XNUMX 分の XNUMX 秒、さらには XNUMX 分の XNUMX 秒、さらには XNUMX 分の XNUMX 秒のアト秒のスケールの高速レーザーパルスがフラーレン分子に集束され、電子が放出されます。分子からの電子の放出をこのように制御するためにレーザー光が使用されたのは、これが初めてです。

原理的には、複数の超高速電子スイッチを組み合わせて XNUMX つの分子にすることができるため、フラーレンスイッチの小さなネットワークだけで、従来のチップよりもはるかに高速に計算タスクを実行できます。しかし、この新しい種類の集積回路を作成するために必要なレーザーコンポーネントをどのように小型化するかなど、克服すべきハードルがいくつかあります。したがって、フラーレンスイッチに基づくスマートフォンが登場するまでには何年もかかる可能性があります。

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