テラヘルツギャップを乗り越える事が遂に可能に!?

テラヘルツ周波数は未開の地というか、未開拓分野であり、現在の技術では利用不可能な周波数帯らしいです。最近話題になったMITの本をめくらずに中身が読めるみたいな技術もこのテラヘルツ周波数帯を利用しています。テラヘルツを使えば、今まで考えられなかった夢のようなことが可能になるとも言われているので、相当期待の持てる技術革新であることはまず間違いありません。テラヘルツ技術からは目が離せません。

テラヘルツギャップ

Researchers bring theorized mechanism of conduction to life

Humans have harnessed large portions of the electromagnetic spectrum for diverse technologies, from X-rays to radios, but a chunk of that spectrum has remained largely out of reach. This is known as the terahertz gap, located between radio waves and infrared radiation, two parts of the spectrum we use in everyday technologies including cell phones, TV remotes and toasters.

「人類はX線から電波まで多様な技術に電磁スペクトルの多くの部分を利用してきていますが、その周波数帯のかなりの部分がほとんど未開拓のままです。これはテラヘルツギャップとして知られており、携帯電話、テレビリモコン、トースターを含む、我々が日常的な技術に利用している2つの周波数帯である電波と赤外線の間に位置しています。」

ブロッホの定理

A theory developed by the late Stanford professor and Nobel laureate Felix Bloch suggested that a specially structured material that allowed electrons to oscillate in a particular way might be able to conduct these sought-after terahertz signals.

「故スタンフォード教授とノーベル賞受賞者フェリックス・ブロッホによって作り上げられた理論が、電子を特別な方法で振動させる特別に構築された材料がこれら需要が増しているテラヘルツ信号を伝送できるかもしれない事を示唆しています。」

Now, decades after Bloch’s theory, Stanford physicists may have developed materials that enable these theorized oscillations, someday allowing for improvements in technologies from solar cells to airport scanners. The group published their findings in the Sept. 29 issue of Science.

「現在、ブロッホ理論から数十年、スタンフォード物理学者達は、この理論化された振動を可能にし、いつか太陽電池から空港スキャナーに至る技術の向上を可能にする材料を開発したかもしれません。チームはこの発見をサイエンス誌9月29日号に発表しました。」

まだ研究は始まったばかりらしいので、今後に期待します。

超格子材料

Researchers have long thought that materials with repeating spatial patterns on the nanoscale might allow for Bloch’s oscillations, but technology is only just catching up to theory. Such a material requires that electrons travel long distances without deflection, where even the smallest imperfection in the medium through which the electrons flow can put them off their original path, like a stream trying to wind over and around rocks and fallen trees.

「研究者は、ナノスケール上に繰り返し空間パターンを持つ材料が、ブロッホ振動を可能にするかもしれないことを長い間夢想していましたが、技術はたった今理論に追い付いたばかりです。そのような材料は電子が偏向なしで長距離移動することを要求します。電子が通過する媒質における最小の不完全性が、川の流れが岩や倒れた樹木を回り込んで流れるように、電子を元の経路から遠ざけます。」

例えば小川に倒木があれば、流れが堰き止めれ、水は倒木の周りを流れて行きます。電子も欠陥によって流れの方向を変えられてしまうみたいです。

Burgeoning research in the field of two-dimensional materials and superlattices could make this type of material a reality. Superlattices are semiconductors made by layering ultra-thin materials whose atoms are arranged in a periodic lattice pattern.

「2次元材料と超格子の分野における成長中の研究が、このタイプの材料を現実のものにする可能性があります。超格子は原子が周期的な格子パターンに配置されている極薄材料を積層化することで作られた半導体です。」

For this study, the researchers created a two-dimensional superlattice by sandwiching a sheet of atomically thin graphene in between two sheets of electrically insulating boron nitride. The atoms in the graphene and boron nitride have slightly different spacing, so when they are stacked on top of each other they create a special wave interference pattern called a moiré pattern.

「この研究のために、研究者は、電気的に絶縁している窒化ホウ素の2枚のシートの間に原子並みに薄いグラフェンシートを挟むことで2次元超格子を作りました。グラフェンと窒化ボロン中の原子は、それらがお互いの上に積層された時にモアレパターンと呼ばれる特殊な波の干渉を作るように微妙に違う間隔を与えられています。」

moiré pattern = モワレ模様、干渉縞パターン、周期性の構造が重なったときに観察される偽の周期性パターン(モアレパターン)。

電子の新しい利用法

Protected from air and contaminants by boron nitride above and below, electrons in the graphene flow along smooth paths without deflection, exactly as theory suggested would be needed to conduct terahertz signals. The researchers were able to send electrons through the graphene sheet, collect them on the other side and use them to thus infer the activity of the electrons along the way.

「上下の窒化ボロンによって空気と混入物資から保護されているグラフェン中の電子は、理論がテラヘルツ信号伝送に必要だろうと示唆した通りに、偏向なしで滑らかな経路に沿って流れます。研究者は、電子をグラフェンシート中に送って、それらを反対側で集め、従って、シート内での電子の振る舞いを推察するのに利用できました。」

Usually, when a voltage is applied across a crystal, electrons are continuously accelerated in the direction of the electric field until they are deflected. In this moiré superlattice, researchers showed that the electrons can be confined to narrower bands of energy, said physics Professor David Goldhaber-Gordon, co-author of the study. Combined with very long times between deflections, this should lead the electrons to oscillate in place and emit radiation in the terahertz frequency range. This is a foundational success on the path toward creating controlled emission and sensing of terahertz frequencies.

「普通、電圧が格子に印加されると、電子は偏向されるまで、継続して電場の方向へ加速されていきます。このモワレ超格子で、研究者は電子がより狭いエネルギー帯域に閉じ込め可能なことを証明したと物理学教授で研究の共同著者が言った。偏向間の非常に長い時間と相まり、この事が、電子が適所で振動しテラヘルツ周波数帯で放射するよう導くはずです。これは、テラヘルツ周波数のための、制御された放射と感知を作り出す過程において基礎となる成功であると言えます。」

In addition to bringing Bloch’s theory closer to reality, the researchers found a completely surprising change in the electronic structure of their superlattice material.

「ブロッホの定理の実現に近付いた事に加えて、研究者は、超格子材料の電子構造中に完全に予期していない変化を見つけました。」

ブロッホの定理はまだ実現できていないみたいです。

“In semiconductors, like silicon, we can tune how many electrons are packed into this material,” said Goldhaber-Gordon. “If we put in extra, they behave as though they are negatively charged. If we take some out, the current that moves through the system behaves as if it’s instead composed of positive charges, even though we know it’s all electrons.”

「”シリコンのような半導体では、我々はこの材料に何個の電子を詰め込むか調整できます”とゴードンは言った。”余分な電子を加えたら、それらはあたかも負に帯電しているかのように振る舞います。何個か取り出せば、その系を移動する電流は、我々が全て電子だと知っているにもかかわらず、それに反してあたかも正電荷で構成されているように振る舞います。”」

電子は負電荷なので、正電荷のように振る舞うのは妙です。

But this superlattice brings a new twist: Adding even more electrons produces particles of positive charge, and taking out even more returns to negative charge.

「しかし、超格子は新展開をもたらしています。さらに電子を加えることが、正電荷粒子産み出し、さらにもっと取り出すことで、負電荷に戻るのです。」

Future applications of this reversal in the character of the electrons could come in the form of more efficient p-n junctions, which are crucial building blocks to most semiconductor electronic devices such as solar cells, LEDs and transistors. Normally, if one shines light on a p-n junction, sending out one electron for every photon absorbed is considered excellent performance. But these new junctions could emit several electrons per photon, harvesting the energy of the light more effectively.

「電子の特徴であるこの逆戻りの今後の用途には、太陽電池、LED、トランジスタ等のほとんどの半導体電子機器の不可欠の構成要素である、もっと高効率のpn接合が加わるかもしれません。普通、誰かがpn接合上に光を照らせば、吸収された光子ごとに1個の電子を送り出すのは優れた性能だと見なされています。しかしこの新しい接合は、光子1個につき数個の電子を放出するので、もっと効率的に光エネルギーを捕獲できます。」

高効率の太陽電池開発にも使えるみたいです。

テラヘルツの将来

While this new research hasn’t yet created a Bloch oscillator, the scientists have achieved the first step by showing that the momentum and velocity of an electron can be preserved over long times and distances within this superlattice,

「この新しい研究は、ブロッホ振動はまだ作り出していませんが、研究者は、この超格子内部で、電子の運動量と速度が長時間で長距離にわたり温存可能であることを示すことによって初めの一歩を成し遂げています。」

スーパーブロッホ振動なるものも存在しているようです。

“We apply the very first original lessons of solid-state physics that Felix Bloch figured out a long time ago, and it turns out we can use that to drive unique conduction phenomena in novel engineered materials,”

「我々は、フェリックス・ブロッホがはるか昔に見つけ出した固体物理学の本当に最初の教訓を利用し、その結果、我々がそれを新たに設計された材料中で、ユニークな伝導現象を促進するために使えることが判明しています。」

Terahertz frequency technology could eventually be an improvement on today’s technologies. When U.S. airports scan passengers at security checkpoints today, they use microwaves, which penetrate nonmetal materials to reveal concealed metal objects. Goldhaber-Gordon explained that terahertz has similar transmission properties but shorter wavelength, potentially revealing even nonmetal concealed objects at high resolution. He added that terahertz scanners could also be used to detect defects such as hidden cavities in objects on a manufacturing assembly line.

「テラヘルツ周波数技術は、最終的には今日の技術の改良版になります。アメリカの空港が現在乗客を検問所でスキャンする場合、それらは、秘匿されている金属物体を暴くために非金属物質を貫通するマイクロウェーブを使っています。ゴードンは、テラヘルツは似たような伝送特性を持っていますが、短波長で、潜在的に高解像度で非金属秘匿物体さえも暴き出す可能性を秘めていると述べた。彼はテラヘルツスキャナーがまた製造組み立てライン上の物体中の隠れた空洞などの欠陥を検知するのに利用できる可能性を付け加えた。」

空港のスキャンはプライバシーの問題がかなり問題になりましたが、テラヘルツだともっとヤバイ気がするのですが、大丈夫なんですかね。

The clean electronic conduction demonstrated in this work also furthered understanding of the ways in which electrons interact and flow, and Goldhaber-Gordon said his lab plans to use these insights to work on creating extremely narrow beams of electrons to send through superlattices. He called this new field “electron optics in 2-D materials” because these beams travel in straight lines and obey laws of refraction similarly to beams of light.

「この研究で実証されている純粋な電子伝導が、電子が相互作用して流れる方法についての理解を深めていて、ゴードンが、彼のラボが、超格子を通して送信するための超極細電子ビームを作り出す研究にこれらの見識を使うことを計画していると言った。彼はこの新しい分野を、このビームが一直線に進んで光線と同じように屈折の法則に従うことから、2次元材料における電子光学と呼びました。」

“This is going to be an area that opens up a lot of new possibilities,” said Goldhaber-Gordon, “and we’re just at the start of exploring what we can do.”

「”これが、多くの新たな可能性を開拓する分野になるでしょう。”とゴードンは言った。”そして私達は、可能なことを探索し始めたばかりなのです。”」

テラヘルツギャップを乗り越えられれば、多くの可能性への道が切り開かれるみたいで、今後のさらなる研究に注目していきたいですね。