光照射による固体からの電子取り出し精度は1nm以下：1分子で電子の分岐器を作製

東京大学物性研究所の研究チームは、大きさが約1nmのフラーレン1分子に電子を通過させ、同時に光照射を行うことでフラーレンから放出される電子の位置を、1nm以下の精度で制御することに成功した。電子が1分子を通過するメカニズムについても、近畿大学との共同研究により理論的に解明した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電子が1分子を通過するメカニズムも解明

　東京大学物性研究所の柳澤啓史特任研究員（研究当時はドイツLudwig-Maximillians大学DFGプロジェクトリーダー）らによる研究チームは2023年3月、大きさが約1nmのフラーレン1分子に電子を通過させ、同時に光照射を行うことでフラーレンから放出される電子の位置を、1nm以下の精度で制御することに成功したと発表した。電子が1分子を通過するメカニズムについても、近畿大学理工学部の鬼頭宏任准教授との共同研究により、理論的に解明した。

　固体に光を照射すると、固体から電子を取り出すことができる。この現象を活用すれば、現行のコンピュータに用いられているスイッチの速度を、1000倍から100万倍に高めることが可能になるという。ただ、超高速スイッチとして固体内に集積するには、電子の放出位置を極めて小さい領域に制御することが必要となる。

　そこで研究チームは、固体上に配置したフラーレン1分子から電子が放出される構造（1分子電子源）の試料を用いて、実験を行った。具体的には、フラーレン1分子を固定した電子源に光を照射し、電界電子放出顕微鏡（FE顕微鏡）を用いて、電子の放出位置を観測した。この結果、光を「照射した場合」と「照射しない場合」で電子の放出位置は大きく変化することが分かった。このことは、「1分子で電子の分岐器を作製したことになる」という。

　さらに、量子的な計算モデルを構築して、実験結果と比較した。光照射で電子の放出位置が大きく変化するのは、「フラーレン1分子に広がる電子の特異な広がり方に起因している」ことも明らかにした。

左はフラーレン1分子を用いた電子の分岐器の概念図、右は電界電子顕微鏡により観測された電子放出パターン 出所：東京大学

左は電車、右は電子の分岐器の概念図 出所：東京大学

　研究チームは、「光のパラメーターを変えると、理論上は分岐の機能をさらに増やすことが可能で、いくらスイッチを集積化しても1分子のサイズは変わらない」という。また、「FE顕微鏡を用いると、分解能を約0.3nmまで改善させることが可能である。今後、1分子に潜む量子の世界を観測できるFE顕微鏡を、手に入れやすい価格で作製したい」とコメントしている。