ユニーク＆エキサイティング研究探訪
【No.20】　2012年11月　掲載
電子の粒子性と波動性が混ざった状態の謎を解き明かす

情報理工学研究科先進理工学専攻の伏屋雄紀准教授は、フランスのパリ高等物理化学学校のBehnia（ベニア）教授らと共同で、電子の粒子性と波動性が完全に混ざった特殊な状態（「量子極限（りょうしきょくげん）状態」）で生じる不思議な現象の謎を一部、解き明かしました。電子のこれまで利用されていなかった性質を活用する、次世代の超低消費電力・超高速デバイスの実現に寄与することが期待される研究成果です。

エレクトロニクスが生活シーンを激変

エレクトロニクスは過去1世紀以上にわたって進化し、人類社会を大きく発展させてきました。特に最近では、パソコンから始まった個人所有のエレクトロニクス機器が携帯電話機からスマートフォン、メディアタブレットへと発達し、人々の生活シーンを変貌させつつあります。

近年のエレクトロニクスの発展は主に、シリコン半導体チップの進化によってもたらされてきました。シリコン半導体チップは、膨大な規模の電子回路を1cm角くらいの小さなシリコンの板に内蔵しています。高密度で高速、低消費電力がシリコン半導体チップの特長であり、過去40年もの間、この三つの機能は常に改良され続けてきました。

電子立国日本の時代とその終焉

シリコン半導体チップには、計算処理を担うプロセッサ、記憶を担うメモリなどがあります。1980年代後半に日本はメモリで世界中を席巻し、当時は「電子立国日本」とも呼ばれていました。NHKテレビは1991年に「電子立国日本の自叙伝」と題するドキュメンタリー番組を6回のシリーズで放映し、エレクトロニクスと半導体が日本の基幹産業であることが日本国民全体に広く認知されました。

しかし1990年代から2000年代に世界のエレクトロニクス産業における日本の地位は低下していきます。シリコン半導体チップを製造する日本企業は減少し、シリコン半導体の本家である米国はもちろんのこと、後発組である韓国や台湾などの半導体企業にも日本は遅れをとっているのが2012年の現在です。

「電子」立国日本を再興する三本の矢

「「電子」立国日本をもう一度」。伏屋雄紀准教授が構想する未来の日本の姿です。電子ではなく「電子」なのは、電子のこれまでに利用されてこなかった性質を活用するからです。

電子は主に三つの性質を輸送する能力を備えています。一つは「電荷」です。これまでのエレクトロニクスは、電子を使って電荷を輸送することで信号を伝送してきました。シリコン半導体チップも同様で、電荷の流れである「電流」を利用しています。言い換えると、現在のエレクトロニクスでは、残りの二つの性質は基本的に利用していません。

電流、熱流、スピン流で社会に貢献

電子の粒子性と波動性

電子が備える三つの性質を利用した応用分野のなかでも、エレクトロニクスはすでに商用化されており、サーモエレクトリクスは商用化が始まっています。残るはスピントロニクスです。伏屋准教授はスピントロニクスの理論研究に主に携わってきました。

量子極限を実現しやすい材料

「量子極限」を通常の材料で実現することは、簡単ではありません。ものすごく強力な磁石が必要だからです。磁場の単位には「T（テスラ）」を使います。市販の棒磁石の磁場はせいぜい、約0.1Tほどです。金属を量子極限状態に変えるには、数百Tの磁場が必要です。このためには非常に高価でおおがかりな電磁石を必要とします。こういった特殊な電磁石を導入できるのは、世界的にみてもごくわずかな研究機関だけです。

反磁性体の「ビスマス」で巨大磁気抵抗効果に類似した現象を確認

ビスマスは安価で入手しやすい材料です。伏屋准教授は、ビスマスを対象にスピントロニクスの理論研究を続けてきました。その中で最新の研究成果が、フランスのBehnia（ベニア）教授らとの共同研究によるものです。ビスマスの量子極限状態では、「巨大磁気抵抗効果（GMR）」に類似した現象が発生していることを見い出しました。ここでGMRとは、磁場を加えることによって電気抵抗が著しく増大する現象を指します。GMRはコンピュータの外部記憶装置であるハード・ディスク装置の磁気ヘッドに使われた物理効果ですが、通常は強磁性体を含む多層膜で現れるものと考えられてきました。