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アイデアを刺激する 最新科学技術キーワード


量子ドット

テクノロジーの進歩は、より小さく、より細かな領域の限界に挑んできた。それはミクロの世界で物質が新たな表情を見せるから。電子や光は波であると同時に、粒子である―教科書で習う量子力学の世界だ。あのアインシュタインでさえ、当初は「神はサイコロを振らない」と主張、確率論的に振る舞うこの現象を受け入れなかった。量子ドットはその名の通り、量子力学的に振る舞う小さな粒。レーザーや太陽電池から、夢の量子コンピューターまで。ミクロの世界には大きな宇宙が広がっている。


 まず、ノーベル物理学賞受賞者の江崎玲於奈さんらが1970年に提唱した「超格子」の概念から出発しよう。
 江崎さんはトンネルダイオード、いわゆる「エサキダイオード」の発明で73年にノーベル賞を受賞したが、薄い薄膜を周期的に積み上げた超格子構造の提案でも有名だ。
 超格子は電子を閉じ込める薄い膜と、電子がトンネル現象で通り抜ける障壁膜とを交互に重ねた構造を持つ。人工的な構造を作り、電子の量子力学的な性質を操ろうという発想だ。
 このアイデアは当時、材料のパラダイムシフト(思考の大転換)と表現された。それから超格子構造の研究が世界中で盛んになる。80年に富士通はこの原理を素子に応用、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を発表した。

【直径十数ナノの「人口原子」】

こうした背景で、東京大学教授の荒川泰彦さんと豊田工業大学副学長の榊裕之さんが82年に提唱した新概念が「量子ドット」。直径が十数ナノメートル(ナノは10億分の1)の微小な半導体粒子で、3次元空間に電子を完全に閉じ込めてしまう。あたかも原子のように振る舞うため「人工原子」とも呼ばれる。
 量子ドットの物性研究は筑波大学や京都大学など大学が中心。一方で、いち早く応用が進んだのがバイオや医療分野だ。

荒川教授が90年ごろに作成した初期の量子ドット(電子顕微鏡写真)

荒川教授が90年ごろに作成した初期の量子ドット(電子顕微鏡写真)

応用研究では、パナソニックが奈良先端科学技術大学院大学と共同で、バイオ分子で量子ドットメモリーを作製。九州工業大学はロボット応用を目指し、量子ドットで脳型の情報処理素子を研究する。
 デバイス応用で実用化間近なのが通信用レーザーだ。量子ドットを半導体レーザーの活性層に挟むとドットに閉じ込めた多数の電子が一度に発光し、レーザー特性が飛躍的に上がる。当時、通信用の半導体レーザーは温度で特性が左右する欠点があった。一方、量子ドットレーザーは温度に依存しない。冷却装置が不要で低消費電力、安価に作れる。現在レーザー特性の最高性能が、量子ドットレーザーによってほぼ塗り替えられている。

【世界初の量子ドットレーザーを開発】

当時は夢の構造だった量子ドットレーザー。実際、その先進的なアイデアには懐疑的な見方が多かった。荒川さん自身も「00年以前、量子ドットのデバイス応用を信じる人は多くはなかった」と話す。04年に荒川さんと富士通は共同で、世界で初めて量子ドットレーザー開発に成功した。
 06年には富士通と三井物産が出資してベンチャー、QDレーザ(東京都千代田区)を設立。量産に向く有機金属気相成長法(MOCVD)で、1.3マイクロメートル(マイクロは100万分の1)帯のレーザーを作製した。生産体制が整い、本格量産に乗り出す考えだ。社長の菅原充さんは「1、2年で株式上場を視野に入れる」と意気込む。
 まずは家庭用光ファイバー通信回線(FTTH)向け市場に参入し、さらに長距離通信に向く1.55マイクロメートル帯のレーザーを製品化する方針。従来の半導体でも実現が困難だった緑色レーザーの開発にも成功、将来は通信用のほか、DVDなど民生用市場も狙う。

量子ドットレーザーの構造図

量子ドットレーザーの構造図

【産学官の適切な役割分担で花開く】

大学の基礎研究が、商用化として実を結ぶ例は決して多くはない。量子ドットレーザーはなぜうまくいったのだろうか。荒川さんは27歳の時に研究室を持ち、「自由な雰囲気で研究でき、長い目で見てもらえた」という。そうした環境があってこそ、リスクの大きい独創的な仕事に挑めた。
 さらに重要なのが、国家プロジェクトを土台とする企業との適切な役割分担だ。「大学発のアイデアと国の集中投資、そして産学から集めたトップ級の研究者の協力」で事業化にこぎ着けた。応用を意識するあまり、短期的な成果を求めがちな今の研究環境。大きな収穫を得るには熟成が必要だ。産学官の連携も近すぎてはいけない。

展望・この技術

【広い応用範囲で未来技術を照らす】

量子ドットの応用は多岐にわたる。次世代太陽電池の有力候補とされる量子ドット太陽電池は、理論上の変換効率が60%超とシリコン系の2倍以上。第一人者の東大准教授の岡田至崇さんは「15年ごろ実用化したい」と話す。将来は、1個の電子で動く単電子トランジスタや単電子メモリーが実現し、単一光子の発生が、次世代の量子暗号通信や超高速な量子コンピューターの実現に実を結ぶだろう。量子ドットが未来のテクノロジーの姿を照らし出す。


掲載日:2010年1月 7日

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