【発表のポイント】

• 炭素原子の単層シート：グラフェンを使い、室温下で電池駆動によるテラヘルツ電磁波の増幅に成功した。
• グラフェンの電子がテラヘルツ電磁波と直接相互作用して得られる理論限界を４倍も上回る巨大増幅を実現した。
• その鍵は、グラフェン内電子集団の電荷振動量子：プラズモンを直流電流で励振して得られる新しい巨大利得増強機構に由来することを発見した。

【概要】

炭素原子の単原子層材料であるグラフェンは、電子有効質量がゼロなどの特異な物性を有することから、従来の技術では困難な室温で動作するテラヘルツ光源?増幅素子を実現し得る夢の材料として注目されている。東北大学電気通信研究所尾辻泰一教授らの国際共同研究チームは、グラフェンを使い、室温で電池駆動によるテラヘルツ電磁波の増幅に成功した。研究グループは、グラフェンをチャネルとするトランジスタ素子を試作し、グラフェン内電子集団で形成される電荷振動量子：プラズモンを直流電流で励振することにより、グラフェンの電子がテラヘルツ波と直接相互作用して得られる理論限界を４倍も上回る巨大増幅作用を室温下で観測することに成功した。テラヘルツ波を利用する次世代超高速無線通信：６Ｇ、７Ｇ実現のブレークスルーとなる画期的な成果である。

図１　試作したグラフェントランジスタのドレイン電圧を上昇させながらテラヘルツ波パルスを照射し、その透過したパルス波の時間応答波形から、入射パルス波に対するグラフェントランジスタの吸収特性（周波数スペクトル）を求めた。ドレイン電圧がある閾値以上では、吸収率が負値となる増幅特性が得られた。右図は試作した素子の電子顕微鏡写真。櫛状の回折格子形状を有するゲート電極を2組用意し、入れ子状に配置した〝二重回折格子ゲート″と呼ばれる独自のトランジスタ電極構造を特徴としている。

【用語解説】

テラヘルツ：１秒間に１０の１２乗回（１兆回）振動する周波数。"テラ"は基礎となる単位の１０の１２乗倍（１兆倍）の量を意味する。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

東北大学電気通信研究所
教授　尾辻泰一，　准教授　佐藤昭
電話 022-217-6104
E-mail otsuji*riec.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）