日本電信電話(NTT)と東京工業大学は、電子の移動度が高いなどの特性から近年注目されているシート状の炭素分子「グラフェン」を利用することにより、電子の疎密波「プラズモン」の伝搬速度を1秒間に数十-数千キロメートルの範囲で制御できることを世界で初めて実証した。光信号をプラズモンの形でナノ(10億分の1)メートルサイズに閉じ込めて制御することが可能となり、コンピュータやネットワーク機器の大幅な高速化・低消費電力化が期待されるという。

光によるデータ伝送には電気伝送と比較して高速で、低データ損失というメリットがある。そのため、インターネットなどの長距離データ伝送や、スーパーコンピュータのラック間・ボード間の配線でのメタルから光ファイバーへの置き換え、一部の電子デバイスの光デバイスへの置き換えなどが行われ、さらに機器の高速化・低消費電力化の研究が進められている。しかし、光デバイスのサイズを光の波長(1,000ナノメートル以下)にすることは困難で、大きさが数十ナノメートル規模となるコンピュータチップ内には用いることができなかった。

研究チームは、光と同様に波の形でデータを伝送できる、電子の「プラズモン」という集団運動に着目した。プラズモンは、電子密度の濃いところ薄いところが波のように伝わるもので、伝送幅に制約がなく、ナノメートルサイズに抑えることができる。これまでの研究(プラズモニクス)では、主に金属表面でのプラズモンを対象としていたが、金属材料によって特性が決まり、金属中での電子の散乱によるデータ損失が大きいなどの課題があった。そこで研究チームは、「グラフェン」という炭素素材(炭素原子が六角形の格子構造となったシート状の物質)の利用を考えた。グラフェンの電子密度を変化させることでプラズモンの特性を変調でき、データ損失も小さいと考えられたからだ。

NTTが持つ、炭化ケイ素(SiC)上でグラフェンを大面積(1ミリメートル四方)化、高品位化させる成長技術、NTTと東工大が持つ、プラズモンの伝搬速度を100ピコ秒(1ピコ秒は1兆分の1秒)の時間分解能で測定する技術を組み合わせた結果、マイクロ波領域(10ギガヘルツ以下)におけるプラズモンの伝搬速度を、1秒間に数十-数千キロメートルという2桁の範囲で変調することに成功した。伝搬速度を制御できたことで光の屈折率を制御でき、プラズモン伝搬のスイッチングや方向選択(ルーティング)などが可能になる。また強磁場中でプラズモンは、グラフェン(厚さ炭素原子1個分、0.1ナノメートル)のエッジ(端)を10ナノメートル幅で伝搬することが分かり、ナノメートルサイズでの制御も可能になるという。

研究成果は英科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ(Nature Communications)」(16日、オンライン版)に掲載された。