日本電信電話株式会社（NTT）は7月22日、テラヘルツ(THz）領域において、パルス幅として世界最短（1.2ピコ秒）となる「グラフェンプラズモン波束」を電気的に発生・伝搬制御することに成功したと発表した。今回の成果は回路上でTHz信号を制御する新たな方法を示すものであり、将来的に、超高速での信号処理実現に期待できるとしている。
実験の概略図。チップ上でパルス幅が1.2ピコ秒のTHz電気パルスをグラフェンに加え、グラフェンプラズモン波束を発生・伝搬させ、その実時間波形をサブピコ秒の時間分解能で計測。なお、図中の「hBN」は六方晶窒化ホウ素
テラヘルツ領域は、光波と電波の中間に位置する周波数領域のこと。現在の技術では、THz領域の無線通信やセンシング、イメージングについては社会実装への道筋が見えつつあるが、回路上のTHz電気信号の制御技術は未だ発展途上にあり、既存のエレクトロニクス技術の単純な延長で回路上のTHz帯を扱うことには限界があり、新しい方法論が模索されていた。今回の実験では、「THzエレクトロニクス技術による超短電気パルスの発生・検出」と、THz電気信号の新しい制御技術としての「グラフェンプラズモン」に着目した。グラフェンプラズモンの「グラフェン」は、炭素原子が網目のように六角形に結びついたシートのことで、厚さは炭素原子1個分に相当する。強度がありながら折り曲げも可能で、電子機器の素材のほか、繊維素材としても注目されている。グラフェン中の自由電子の振動であるグラフェンプラズモンは、THz領域でロスが小さいことが知られており、電子密度を変化させることにより、波長や伝搬速度などを制御できる。同社によれば、本実験以前に、電気的に発生させることができたグラフェンプラズモン波束の最短パルス幅は25ピコ秒で、これはGHz領域
上図左「a」は、グラフェンデバイス上のプラズモンのイメージ。導波路上にグラフェンデバイスを挿入することで、THz電気パルスをグラフェンプラズモンに変換した。右「b」はグラフェンデバイスの断面模式図。金属ゲートによりグラフェンプラズモンの位相・振幅を制御し、ZnO（酸化亜鉛）ゲートにより、電気パルスとプラズモンの変換効率を高めた今回の実験の結果、1.2ピコ秒の超短グラフェンプラズモン波束をチップ上で発生・伝搬制御・計測することに成功し、このパルス幅が入射前の電気パルスの時間幅と同等であり、電気的に励起されたプラズモン波束として世界最短であることが分かった。これは、THz領域における電気信号を、歪ませることなく伝送できることを示すとしている。
次に、グラフェンの電荷密度をゲートにより電気的に変調することで、プラズモン波束において、信号処理を実現するための基本的な操作である「位相と振幅の制御」ができることが分かった。これは、THz領域の電気信号を扱う新しい素子動作を実証できたことを意味するとしている。 上図左「a」は、金属ゲートの電圧が1.
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