たった1個の電子で1ビットを表現する世界初のデジタル変調を実現

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-広い周波数範囲で正確に任意波形の極微小交流電流を発生可能に-

2018/02/02 産総研

ポイント
  • 電流の最小単位である電子1個でオン・オフを表現するデジタル変調技術を開発
  • ナノ加工技術で作製した単一電子素子を用いて電子を1個ずつ制御
  • 極微小電流の精密計測につながり、半導体素子の開発やナノ構造物理の基礎研究へ貢献
概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)物理計測標準研究部門【研究部門長 中村 安宏】 量子電気標準研究グループ 岡崎 雄馬 研究員、中村 秀司 主任研究員、金子 晋久 研究グループ長 兼 同研究部門 首席研究員は、日本電信電話株式会社【代表取締役 鵜浦 博夫】(以下「NTT」という) NTT物性科学基礎研究所と共同で、電流の最小単位である電子を1個単位でオン・オフ制御できる単一電子デジタル変調技術を開発した。

電流は電子の流れなので、電子1個1個を正確に制御・検出できれば、従来の計測器では不可能だった精度での電流発生・計測を実現できる。産総研では、これまで、半導体ナノ加工技術で作製した単一電子素子を用いて、一定周期で電子を1個ずつ送り出し、直流電流を発生・計測する技術の開発に取り組んできた。今回、電子の密度を時間的に変化させる単一電子デジタル変調技術を開発し、電子数個レベルで正確な任意波形の電流を発生させることに成功した。発生させた電流を基準とすることで、直流(0 Hz)~メガヘルツ(MHz)の周波数帯域で、フェムトアンペア(fA)(10-15 A)以下の極微小電流を精密に測定できるようになる。今回開発した極微小電流の発生技術は、低消費電力化が期待されるスピントロニクスなど次世代素子の研究開発や、ナノ構造中で生じる物理現象の解明などの基礎研究への貢献が期待される。

なお、この技術の詳細は、2018年2月1日(英国時間)に出版されるApplied Physics Expressに発表される。

電子1個を制御できる素子の電子顕微鏡写真(左)、今回開発したデジタル変調技術の模式図(右)
電子1個を制御できる素子の電子顕微鏡写真(左)
と今回開発したデジタル変調技術の模式図(右)
開発の社会的背景

 メモリーの低消費電力化を目指すスピントロニクスなどの次世代素子の研究開発や、ナノ構造中で生じる物理現象を解明する基礎研究では、素子性能の評価や物理現象の観測のために、ナノ構造を流れるわずかな電流を精密に測定する必要がある。そのため、アトアンペア(aA)~fAといった極微小電流を精密に測定できる技術が重要となってきている。今後、ナノテクノロジーの発展に伴いさまざまな研究分野で測定対象の微細化が進み、微小電流計測の重要性はますます高まると予想される。

また、直流電流だけでなく、キロヘルツ(kHz)、MHzといった周波数帯域の微小な交流電流の測定も重要となってきている。しかし、既存の電流計測技術では、このような周波数帯域の交流の計測では不確かさが大きくなるなどの課題があり、正確で信頼できる基準交流電流の発生技術が求められていた。

研究の経緯
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