電子フォノンの「サーフィン」は量子ハードウェアの安定化に役立つ可能性がある、ナノワイヤテストが示唆

携帯電話の通話を妨害する可能性がある低周波のファズは、電子が最小スケールで物質中をどのように移動し相互作用するかに関係しています。電子フリッカー ノイズは、多くの場合、電子を伝導する金属内でのさまざまな散乱プロセスによる電子の流れの中断によって発生します。

同じ種類のノイズは、高度なセンサーの検出能力を妨げます。また、量子コンピューターの開発にもハードルが生じます。量子コンピューターは、現在不可能な方法で、破壊できないサイバーセキュリティを実現し、大規模な計算を処理し、自然をシミュレートすると期待されています。

UCLAが主導した新しい研究のおかげで、これらのテクノロジーには、より静かで明るい未来が近づいているかもしれません。研究チームは、一定の電圧を超えると、通常の電子の流れよりも低いノイズで電気を伝導するプロトタイプのデバイスを実証しました。

これらの実験装置では、髪の束の幅に合わせるのに千本以上かかるほど細いリボンであるナノワイヤーを形成するために、型破りな材料が使用されていました。ノイズレベルが一定に保たれる傾向にある従来のエレクトロニクスとは対照的に、ナノワイヤは、電流が増加するにつれてノイズが低下するという驚くべき特性を示しました。

材料の挙動は、電子がフォノンと連動して移動する量子現象、つまりフリッカーノイズの原因となる温度駆動の振動によって駆動されました。重要なのは、研究で使用された材料の 1 つが室温以上で騒音を軽減したことです。

「通常、私たちはフォノンを電子を散乱させる悪者だと考えています」と責任著者のアレクサンダー・バランディン氏は述べた。彼は、UCLAサムエリ工学院の工学部ファン・ルー寄附講座の保持者であり、材料科学および工学の高名教授であり、UCLAカリフォルニア・ナノシステム研究所（CNSI）のメンバーでもある。 「この特定のケースでは、フォノンによって電子が一緒に移動できることがわかりました。ノイズに関するこの奇妙でユニークな特性により、信号対雑音比を改善できる可能性があります。」

研究は雑誌に掲載されました ネイチャーコミュニケーションズ。

電子は波に乗ります

金属ワイヤに電圧が印加されると、電子は電場の作用を受けて移動し、フォノンや材料内のさまざまな欠陥によって常に経路外に衝突され、ノイズの多い電流が発生します。研究者らは、量子力学の直感に反する規則によって引き起こされる非常に特殊な状況下で、電子が移動するための追加モードを利用しました。このモードでは、電子はフォノンとの相互作用によって可能になり、フォノンとほぼ同期する周期的なパターンで凝集する傾向があります。

類推すると、電子は、フォノンの波が流れ、導電性物質の海を旅するサーファーのように描写できます。

通常のモードでは、電子は初心者サーファーのように振る舞い、時折フォノン波によってボードから弾き飛ばされます。量子ベースのモードの電子は、熟練したサーファーのようなもので、フォノンの波をキャッチし、そのエネルギーを使ってスムーズに移動します。

フォノンと電子の動きが非常に密接に関係しているため、エキスパートサーファーモードを解除する材料は「強相関材料」と呼ばれます。

「私たちは、電子の集合的な相関運動を伴うこの体制を利用して、ノイズ低減の点で利益を得ました」と、UCLA材料科学工学部大学院教育担当副部長であり、CNSIのブリルアン・マンデルスタム非弾性光散乱分光法（BMS）施設の所長であるバランディン氏は述べた。

ノイズを抑えるには理論の調整が必要

研究者らは、原子結合が一方向にのみ強い材料からナノワイヤーを作製し、それを小さな電極に接続した。これらのいわゆる準一次元ナノワイヤの 1 つは、電子部品に使用される青灰色の金属であるタンタル元素をベースにした化合物で作られていました。もう 1 つの準 1D 材料は、その元素の化学的に類似したニオブに基づいていました。

タンタルベースの材料では、華氏マイナス 100 度付近の温度で実際の測定限界を下回るまで、電流が増加するにつれてノイズが減少しました。ニオブベースの材料も同様の挙動を示しました。その 1D ナノワイヤでは、室温および室温以上で行われた実験において、ノイズは通常の電子によって生成されるレベルよりもはるかに低くなり、その後は一定のままでした。

研究者たちは驚きました。他の強相関材料または異なる印加電圧を用いた以前の実験では、ノイズ レベルは常に通常の電子のレベルまで跳ね返りました。そこでチームは、結果を再確認するために追加のデバイスを作成しました。彼らはまた、独特の挙動を説明する新しい理論モデルを開発しました。

「強相関材料は材料科学を変革しています」とバランディン氏は語った。 「以前の単純化された説明では多くの特性が失われているようです。そのため、理論モデルと解釈を修正する必要がありました。材料をより正確に説明できれば、新しい特性を引き出し、理解するのに役立ちます。」

将来のテクノロジーへの影響

この研究結果は、将来の超低ノイズ通信およびセンサー技術における実用化の可能性を示しています。また、量子コンピューターの扱いにくい基本コンポーネントを安定化することも期待されており、今日必要とされる極度の低温を超えて安定化が可能です。

バランディン氏は、強相関材料がコンピューターチップ上のコンポーネントを接続するための導体として使用できる未来を思い描いています。彼は、これらの材料が回路アーキテクチャの根本的な変化をサポートする可能性さえあると考えています。

「すべての良いことには終わりが来る」と彼は言った。 「人工知能のためのハイエンド、高出力の計算の需要に伴い、私たちは今から 10 年以上後に電気信号を送信して処理するための代替手段を提供できる材料を検討する必要があります。」

研究者らは、この研究で得られた材料をさらに調査するとともに、室温でさらに効率的に電荷密度波を伝える他の材料も探索する予定です。

「もしかしたら、もっと優れた素材があるかもしれない」とバランディン氏は言う。 「捜索中です。」