東北大ら,室温でTHz波の巨大増幅に成功

東北大学,仏国立科学研究所(CNRS),仏モンペリエ大学,ロシア科学アカデミー・ヨッフェ研究所,ロシア科学アカデミー・コテルニコフ無線電子工学研究所,ポーランド国立高圧物理学研究所の国際共同研究グループは,グラフェンを使い,室温で電池駆動によるテラヘルツ電磁波の増幅に成功した(ニュースリリース)。

テラヘルツ波はユニークな特徴を有しており,超スマート社会には,テラヘルツ波の次世代超高速無線通信である6Gや7Gの技術開発が必須となる。しかし,6Gや7Gの無線信号の送信手段として不可欠な,室温で動作し小型集積化が可能でかつ電池駆動型のテラヘルツ増幅素子やレーザ素子の実現には未だ至っていない。

そのような中,グラフェンが注目されている。グラフェンは炭素原子が蜂の巣格子状に結晶化した単原子層の二次元材料で,グラフェン内の電子は相対論的粒子としてふるまい,その有効質量は消失し,極限的に秀逸な輸送特性を有している。

研究グループは,グラフェンを利得媒質としてテラヘルツレーザー発振が実現できることを理論的に発見している。しかしながら,得られる増幅利得は極めて低く,レーザー発振動作の実証は液体窒素温度をわずかに上回る摂氏-163度の低温環境でしか得られておらず,室温で高強度な動作を実現するためには,電子と光子の直接相互作用に伴う動作限界を超えた巨大増幅利得を獲得する必要があった。

研究グループは,グラフェンのプラズモンが他の半導体材料に比べてテラヘルツ波光子と相互作用する効率が格段に高いことに着目し,グラフェンプラズモンをテラヘルツ波と効率よく結合できる〝二重回折格子ゲート″と呼ばれる独自のトランジスタ電極構造を導入したグラフェントランジスタを試作した。

このトランジスタについて,グラフェン内電子集団で形成される電荷振動量子:プラズモンを直流電流で励振することにより,グラフェンの電子がテラヘルツ波と直接相互作用して得られる,理論限界を4倍も上回る巨大増幅作用(増幅利得9%)を室温下で観測することに成功した。

今回,剥離・転写法による最高品質の単層グラフェンを用いたが,工業的な製膜方法によって同等の高品質な単結晶グラフェンを層状に多層化して得る技術の開発も進んでいる。このエピタキシャル多層グラフェンを用いれば,グラフェン単層から得られた利得を,2倍,3倍へとグラフェンの層数分だけ向上させることが可能だという。

これは,室温動作可能で乾電池駆動による高利得テラヘルツ波増幅素子,高強度テラヘルツレーザー素子の実現に向けて大きな一歩となる成果だとしている。

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