電子メタデバイスによる超高速テラヘルツ技術

テラヘルツ周波数での超高速通信は、「電子メタデバイス」を使用して可能になり、次世代の高速ガジェットの準備となる可能性があります。これらの新しいデバイスが電場を制御する方法は、透明マントが光、熱、音を操作する方法と似ていることが、新しい研究で判明した。

ムーアの法則に従ってエレクトロニクスが小型化するにつれ、実用化に向けて多くの課題に直面しています。多くの場合、これらのデバイスが直面する問題は、デバイスを製造する半導体材料の可能性を考慮すると、予想よりも大幅に悪いパフォーマンスをもたらします。

たとえば、小型のデバイスは非常に高い電界により数ボルトしか保持できず、供給できる最大電力が制限されます。さらに、小型ガジェットの最大動作周波数は、避けられない高い寄生容量によって大幅に制限されることがよくあります。さらに、トランジスタやダイオードで広く使用されている最先端のトンネル接合は、接触抵抗、つまり他のコンポーネントとの接触点での電気抵抗が高く、デバイスの全体的な性能が制限されます。

これらの課題を克服するために、研究者らは新しい研究で、予想外の方法で光を曲げる能力など、自然界では通常見られない特徴を持つように設計されたメタマテリアルの最近の並外れた進歩からインスピレーションを得た。このような研究により、光、音、熱、その他の種類の波から物体を隠すことができる透明マントが誕生しました。

光を操作するように設計された光学メタマテリアルは、影響を与える光の波長よりも小さいスケールで繰り返しパターンを持つ構造を持っています。新しい研究では、研究者らは、制御するために開発された波状の集合的電磁相互作用よりも規模が小さい構造を有するという点で、同様に設計されたデバイスを開発した。

「私たちは、トランジスタやダイオードに代わるもので、はるかに高速な速度を可能にする新しい種類のデバイスを開発しました」と、研究主著者でスイス連邦工科大学チューリッヒの電気技師、モハマド・サミザデ・ニコオ氏は言う。「私たちはこの概念を『電子メタデバイス』と呼んでおり、通常のデバイスが実行できる以上のことが可能です。」

従来の電子デバイスでは、長方形のギャップによって分離された 2 つの長方形の端子が見られるかもしれません。電子メタデバイスでは、代わりに、それぞれがキーのような形状をした一対の端子があり、一方のキーの歯が他方のキーの隙間に嵌り、逆も同様です。このキー型端子間の隙間は直線ではなくジグザグ状になっています。電子メタデバイス内のコンポーネントの正確なサイズやその他の特徴は、それがどの周波数を操作し、どのような効果をもたらすかを決定するのに役立ちます。

通常の電子デバイスは「電子を制御することに基づいており、電子を逃がすか強制的に停止させるゲートが存在します」とサミザデ・ニコオ氏は言う。対照的に、電子メタデバイスは、「電子を一個も注入することなく」マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ、その他の高周波電磁信号を制御すると彼は言う。

科学者らは、この概念は一般に、従来の CMOS システム、ダイヤモンド、最近の 2D 材料を含むあらゆる半導体プラットフォームに適用できると指摘しています。「この新技術は、半導体製造における既存のプロセスと互換性があるため、超高速通信の未来を変える可能性があります」とサミザデ・ニコオ氏は言う。

これらの新しいデバイスは、エレクトロニクスが現在直面している大きな課題を迅速に克服するのに役立つ可能性があります。現在の無線通信では、数十ギガヘルツもの高速信号を使用できます。将来の 6G 通信には 1 テラヘルツもの高速信号が必要です。「しかし、トランジスタのような従来の電子デバイスは、テラヘルツギャップと呼ばれるような高速で動作することができません」とサミザデ・ニコー氏は言う。「これは将来の技術開発における大きなボトルネックです。」

実験では、研究者らは窒化インジウムアルミニウムと窒化ガリウムのプラットフォーム上にテラヘルツスイッチを作成した。「私たちはテラヘルツ周波数で最大 100 ギガビット/秒のデータ伝送を実証しました。これは、今日の 5G の 10 倍です」とサミザデ・ニコー氏は言います。「私たちの結果は、電子メタデバイスがさらに高速に動作し、テラビット/秒のデータ速度で無線リンクを可能にする可能性を秘めていることを示しています。これは、データの通信方法とその処理方法に大きな影響を与える可能性があります。」

従来のテラヘルツスイッチは、数ボルト以上押すと故障する。「つまり、静電気放電に非常に敏感で、簡単に壊れてしまうということだ」とサミザデ・ニコオ氏は言う。「電子メタデバイスは非常に堅牢で、数十ボルトの範囲の破壊電圧を示します。」

新しい研究では、電子メタデバイスが他の多くの点でも古典的な半導体デバイスを上回る可能性があることが判明しました。たとえば、それらはトンネル接合よりもはるかに低い接触抵抗を示し、これは電子メタデバイスがテラヘルツスイッチだけでなくテラヘルツ増幅器としても使用できる可能性を示唆している、と研究者らは述べている。

「6G以降の超高速システムに応用できる新世代の半導体エレクトロニクスを考えることができます」とサミザデ・ニコオ氏は言う。

科学者らは、その研究結果の詳細を、2 月 15 日付けの Nature 誌にオンライン掲載しました。