電気的に制御したグラフェンでバレー流の生成、検出に初めて成功～結晶中の電子のバレー自由度を利用した低消費電力エレクトロニクスの実現へ～

電気的に制御したグラフェンで

バレー流の生成、検出に初めて成功

～結晶中の電子のバレー自由度を利用した

低消費電力エレクトロニクスの実現へ～

平成２７年１１月１７日

東京大学

理化学研究所

科学技術振興機構（ＪＳＴ）

詳細は、リンクを参照して下さい。

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ポイント

○電気的に制御できる二層グラフェン

　において、電流からバレー流へ変換、

　伝送し、再度電流へ変換して、

　それに伴う電圧を初めて検出しました。

○電流からバレー流への変換効率を

　広範囲に渡って電気的に制御できること

　を示した成果であり、変換効率の

　さらなる向上が期待できます。

○バレー流は電荷の流れを伴わないため、

　エネルギー消費を伴わない情報媒体に

　なると期待されており、本成果は

　そのような低消費電力エレクトロニクス

　の開発に貢献します。

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　電子には粒子としての性質と同時に

波としての性質があります。

　一般に電子の波は様々な波長や方向を

持ちます。

　一方、電子の波は一部の固体結晶中

では、いくつかの特定の波長や方向が

安定な状態となります。

　そして、電子はこの特定の波長や方向

により区別されます。

　このように電子を区別することのできる

結晶の性質をバレーと呼びます。

　電子は負の電荷を持つため、電子が

一方向に流れると電流が発生します。

　従って、もし異なるバレーの電子が

互いに逆向きに流れる（バレー流注１））

状況を作り互いの電流を相殺し、

これを検出できれば、正味の電流をゼロに

保ったまま、バレー流による情報伝達が

可能です。

　この情報伝達はエネルギー消費を

伴わないものとなるため、バレー流を

用いた低消費電力エレクトロニクスの

実現が期待されています。

　黒鉛単層のグラフェンは２つのバレーを

持ち、バレー流を用いた

低消費電力エレクトロニクスの材料に

適しています。

　これまで、グラフェンの性質が

接触基板に影響されることを利用して

電流をバレー流に、また逆にバレー流を

電流に変換できることがわかって

いました。

　しかし、このような系での双方の

変換効率は電子密度のみを通じて

制御されるため、その制御性には限界が

ありました。

　そこで変換効率を広範囲に電気的に

制御（※）できるグラフェンのデバイスが

求められていました。

　今回、東京大学 大学院工学系研究科の

島崎 佑也　大学院生、山本 倫久　講師、

樽茶 清悟　教授らの研究グループは、

電気的に制御することのできる

二層グラフェン（図１）において、

バレー流の生成、検出に初めて

成功しました。

　研究グループは電流をバレー流に

変換し、電流の漏れ出し注２）を

無視できる程度の距離を伝送させた後、

バレー流を電流に変換して、

これに伴う電圧を検出しました（図２）。

　二層グラフェンを用いれば従来の

単層グラフェンからなるデバイスとは

異なり、電流からバレー流への変換効率の

大きさを電気的により広範囲に制御（※）

できることから、電流とバレー流の変換が

原理的には室温でも可能となります。

　またバレー流を生成する際に流れる

電流によるエネルギー消費についても、

変換効率の向上により大幅に改善可能と

考えられることから、二層グラフェンを

用いることでバレー流を用いた

低消費電力エレクトロニクスの実現が

期待されます。

（※）変換効率はデバイスの特性を決める

　　電子密度とエネルギーギャップ注３）

　　の双方に影響される。

　　今回の研究では電子密度に加えて

　　エネルギーギャップを電気的に

　　制御することで、変換効率を

　　より大きい範囲にわたって

　　変えられるようにした。

　　エネルギーギャップを大きくすること

　　で室温動作も期待できる。

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　 バレー流ね～、知りませんでした。

＞二層グラフェンを用いることで

＞バレー流を用いた

＞低消費電力エレクトロニクスの実現が

＞期待されます。

　とのことです。

　超省電力高性能デバイスについては、

スピントロニクスが有名ですが、

こんなものもあるんですね。

　期待しましょう。