2021年、MITの物理学者が率いるチームは、新しい極薄強誘電体材料、つまり正電荷と負電荷が異なる層に分離する材料の作成を報告した。当時、彼らはこの材料がコンピューターのメモリなどに応用できる可能性があることに注目していました。現在、同じ中心チームとその同僚（隣の研究室の 2 名を含む）がその材料を使ってトランジスタを構築し、その特性がエレクトロニクスの世界を変えるほど有用であることを示しました。

研究チームの結果は研究室にある単一のトランジスタに基づいているが、現在製造されている強誘電体トランジスタの特性は「いくつかの面ですでに業界標準を満たしている、または超えている」とセシル・アンド・アイダ・グリーン物理学教授のパブロ・ジャリーロ＝エレーロ氏は語る。物理学教授レイモンド・アショーリとともに研究を主導した。両方とも材料研究所にも所属しています。

「私の研究室では主に次のことを行っています基礎物理学。これは、非常に基礎的な科学がアプリケーションに大きな影響を与える可能性のあるものを生み出した最初の、そしておそらく最も劇的な例の 1 つです」とジャリーロ・エレーロ氏は言います。

アショーリ氏は、「物理学における私のキャリア全体を考えると、これは 10 ～ 20 年後に世界を変える可能性があると思う仕事です。」と述べています。

新しいトランジスタの優れた特性には次のようなものがあります。

• ポジティブとマイナス電荷「基本的にデジタル情報の 1 とゼロ」をナノ秒の時間スケールで非常に高速に処理します。(ナノ秒は 10 億分の 1 秒です。)
• 非常に厳しいです。1,000 億回のスイッチを使用した後も、機能低下の兆候は見られずに動作しました。
• この魔法の背後にある素材の厚さはわずか 10 億分の 1 メートルで、この種のものとしては世界で最も薄いものの 1 つです。これにより、コンピュータのメモリストレージをより高密度に保存できるようになる可能性があります。また、材料の厚さに応じてスケールを切り替えるのに電圧が必要となるため、トランジスタのエネルギー効率が大幅に向上する可能性もあります。(超薄型とは超低電圧を意味します。)

作品は出版された最近の号で科学。この論文の共同筆頭著者は、現在コーネル大学の助教授である安田賢二氏と、現在アトム・コンピューティングのエヴァン・ザリス・ゲラー氏である。追加の著者は、MIT 物理学の大学院生である Xirui Wang です。ハーバード大学のダニエル・ベネット氏とエフティミオス・カキシラス氏。Suraj S. Cheema 氏は、MIT の電気工学およびコンピュータ サイエンス学部の助教授であり、エレクトロニクス研究所の所属です。国立研究開発法人物質・材料研究機構の渡辺賢治氏と谷口隆氏。

彼らがしたこと

強誘電体材料では、正電荷と負電荷が自発的に異なる側、つまり極に向かいます。外部電場が印加されると、それらの電荷の向きが切り替わり、分極が反転します。偏光の切り替えはデジタル情報をエンコードするために使用でき、その情報は不揮発性、つまり時間が経っても安定します。電界をかけないと変化しません。強誘電体がエレクトロニクスに幅広く応用されるためには、これらすべてが室温で起こる必要があります。

新しい強誘電体材料報告されましたで科学in 2021 は、自然界には存在しない構成である、互いに平行に積み重ねられた窒化ホウ素の原子的に薄いシートに基づいています。バルク窒化ホウ素では、窒化ホウ素の個々の層が 180 度回転します。

この平行な積層構成に電場が印加されると、新しい窒化ホウ素材料の一方の層が他方の層の上を滑り、ホウ素原子と窒素原子の位置がわずかに変化することがわかりました。たとえば、あなたの手がそれぞれ 1 層の細胞だけで構成されていると想像してください。この新しい現象は、両手を押し合わせてから、片方の手をもう片方の上に少しずらすことに似ています。

「奇跡とは、この 2 つの層を数オングストロームスライドさせることで、根本的に異なる電子機器が完成するということです」とアショーリ氏は言います。原子の直径は約1オングストロームです。

もう一つの奇跡は「スライディングでは何も消耗しない」とアショーリは続ける。新しいトランジスタが劣化することなく 1,000 億回スイッチングできたのはそのためです。それを記憶と比較してくださいフラッシュドライブ従来の素材で作られています。「フラッシュ メモリに書き込みと消去を行うたびに、ある程度の劣化が生じます」とアショーリ氏は言います。「時間の経過とともに、それは消耗します。つまり、チップ上の読み書きを行う場所を分散するには、非常に洗練された方法を使用する必要があります。」新しい素材により、これらの手順が時代遅れになる可能性があります。

協力的な取り組み

現在の論文の共同筆頭著者である安田氏は、科学論文は、この仕事に関わったコラボレーションを称賛します。その中で、「私たち（ジャリーロ・エレーロ氏のチーム）が素材を作成し、レイ（アショーリ）と（共同筆頭著者の）エヴァン（ザリス・ゲラー）と一緒に、その特性を詳細に測定しました。それは非常にエキサイティングでした。」アショーリ氏は、「私の研究室のテクニックの多くは、隣の研究室で行われていた研究に自然に適用できました。とても楽しかったです。」と語ります。

アショーリ氏は、「この背後には、研究できる興味深い物理学がたくさんある」と述べています。たとえば、「2 つの層が互いに滑りながら通過することを考えた場合、その滑りはどこから始まりますか?」さらに、安田氏は、強誘電性は光パルスのような電気以外のものによって引き起こされる可能性があると述べています。また、マテリアルが実行できるスイッチの数に基本的な制限はありますか?

課題はまだ残っています。たとえば、新しい強誘電体を製造する現在の方法は難しく、大量生産には適していません。「私たちはデモンストレーションとして単一のトランジスタを作成しました。これらの材料をウェーハスケールで成長させることができれば、さらに多くのトランジスタを作成できるでしょう」と安田氏は言います。同氏は、さまざまなグループがすでにその目的に向けて取り組んでいると指摘する。

「いくつかの問題があります。しかし、それらを解決できれば、この材料は潜在的な将来のエレクトロニクスに非常に多くの方法で適合します。非常にエキサイティングです。」とアショーリ氏は結論づけています。

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