MITら、グラフェン上における電流の予想外の挙動を発見

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電界内の伝導体の中を電子が移動するとき、電子は抵抗が最小となるような経路を取り、電界方向に動く。しかし、マサチューセッツ工科大学(MIT)とマンチェスター大学の研究チームは、ある特殊な条件の下で電子がこれとは異なる予想外の挙動を示すことを発見した。

グラフェン中での電流のイメージ(出所:MIT)

グラフェン中での電流のイメージ(出所:MIT)

今回の研究では、グラフェンシートを別種の二次元材料の上に配した場合、電子は横方向(電界に対して垂直な方向)に動くことが示された。電子の横方向への移動の誘因としては磁界の影響が知られているが、今回の現象は磁界をかけない状態で起こる。

さらに、電子の流れは対向する2つの流れに分かれ、それぞれが相手の電荷をキャンセルすることで、「電荷を持たない中性な電流」を生むことも分かった。

電界に対する電流の厳密な角度を精密に制御することも可能であるという。これは、帆の角度を制御することによって、風向きに対して垂直にヨットを進ませることに似ている。

ゲートにわずかな電圧を加えることによって電流は変化するため、この材料をトランジスタとして機能させることができる。従来の半導体と異なり、同材料中の中性電流は、その大半が熱として失われることはないとみられている。このため、エネルギー効率の良いコンピュータチップの材料として利用できる可能性がある。

研究チームは、この新材料を用いた簡単なトランジスタを実証した。実験では、二次元の窒化ホウ素上にグラフェンを重ね、二種の材料が半導体として振舞う超格子を形成するようにした。この超格子によって電子はこれまで予想されていなかったねじれを獲得し、スピンのかかったボールの軌道が曲がるように、電流の方向が変化するという。

グラフェン中の電子は質量を持たない相対論的粒子のように振舞うが、観測された結果は素粒子物理学上で知られているものとは異なっており、物理学の知見を広げるものであるとしている。

今回見つかった効果が、コンピュータチップのエネルギー削減に利用できるかどうかは、いまのところ未解明の問題である。熱になって損失されるエネルギーを局所的に減らせることは明らかだが、この系の別の部分でこの利得が相殺されてバランスしている可能性もあるという。


MITの発表資料

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