量子フォトニクスとナノ物理・デバイス

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量子フォトニクス

現代の情報化社会を物理層で支えているのが光。
その潜在情報処理能力はペタビット(Pbps)レベルです。
この未開拓な資源を、次世代の通信ネットワークや光記録・光センシングに活用する研究を進めています。

1962年、私たちの生活を大きく変える一つの歴史的な技術革新が生まれました。世界初となる半導体レーザ発振の成功です。半導体レーザは、量子力学、固体物理学、電磁気学という神様が与えてくれた物理原則をもとに、人類が英知を結集して生み出した芸術的な作品です。半導体レーザの発明を皮切りに光量子エレクトロニクスは飛躍的に発展し、それまでの磁気記録テープは光記録ディスクへ、電信は光通信へと変貌を遂げました。今では、光ディスク、光ディスプレイに始まり、光ファイバ通信網、光センシングに至るまで、私たちの情報化社会は「光」で溢れています。

しかし今、光情報技術は大きな分岐点に差し掛かっています。光ファイバ1本当たりの伝送容量は、研究レベルで1ペタビット(1ギガビット光ブロードバンドインターネットの100万倍!)を突破し、光ファイバの全伝送帯域を使い尽くそうとしています。一方、ブルーレイディスクに代表される光記録技術は、レーザの短波長化とディスクの多層化によって大容量化を実現してきましたが、ディスクに集光したレーザ光の反射光を読み取るという基本原理は変わらないため、光の回折限界によって記録密度が限界に達しています。将来の超大容量フォトニックネットワーク構築のためには、これまでのコンセプトから脱却した新しい技術が求められています。

量子フォトニクスラボでは、光量子エレクトロクスのパラダイムシフトを実現する数々の革新的な技術を研究しています。例えば、光の回折限界を打破する「ナノフォトニクス」、デジタル信号処理を「光」で行う「デジタルフォトニクス」、光のLSI(大規模集積回路)を実現する「集積フォトニクス」。これらは、ほんの一例に過ぎません。

アインシュタインの光量子説提唱から100年、半導体レーザの発明から半世紀が経った今、確実に新しい「作品」が生まれようとしています。あなたも歴史の証人になりませんか?

ナノフォトニックデバイスの概念図:10nm 以下のナノ結晶により構成される世界最小のデバイス
InP半導体チップ上に集積した全光フリップフロップデバイス
200個以上の光素子を集積した大規模光スイッチ回路

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ナノ物理・デバイス

20世紀最大の発明といえるのが、シリコンでできたトランジスタでした。
その延長線上にはない革命的なデバイス技術を生んだ者が、21世紀のヒーローとなるでしょう。
それは、あなたかもしれません。

あらゆる電子機器を動かしている半導体集積回路の技術の発展は、MOSFETと呼ばれるシリコンでできたトランジスタの微細化により実現されてきました。しかし現在、微細化による性能向上は壁に直面していています。私たちはまったく新しい形のトランジスタの開発や、シリコン以外の新材料の導入など、従来技術の延長ではない革命的な進歩を用いてその壁を打ち破る研究を進めています。

例えば、材料技術により電子や正孔の移動速度を飛躍的に高めた超高速トランジスタの開発、電子の電荷のみならず電子のスピンを識別できるデバイスの開発、さらには半導体デバイス技術と生体分子との融合をはかるバイオエレクトロニクス、等々。これらは半導体エレクトロニクスの新次元とも呼べるものです。こうした研究に不可欠なのが、ナノメータスケールの材料とデバイスの作製を可能にするナノサイエンスとナノテクノロジーです。わが国のお家芸ともいえるほどに発展してきたシリコンの微細加工技術に加えて、化合物半導体や酸化物、有機材料までを一貫して扱うことのできるデバイス作製技術と、ナノ粒子やナノチューブ、DNAなど微細構造体の自己組織化現象を巧みに組み合わせた異種材料融合ナノ構造形成プロセスを開発。世界最高水準のクリーンルームをフル活用して研究を行っています。

このような研究は、応用目的一辺倒の研究姿勢では限界があります。私たちは科学者として、広い視野をもち純粋な知的好奇心に根ざした探索的なサイエンスの研究も大切にしており、理学部にも負けない水準を持っています。固体物理や材料科学の深い理解に基づく既成概念にとらわれない柔軟な思考が、思いもしないブレイクスルーを生み出すでしょう。従来のシリコン集積回路を超える次の技術。その研究分野はまさに革命前夜の様相であり、若い皆さんが国際的に活躍できる大きなチャンスがあります。

次世代トランジスタの構造と課題
スピン自由度と量子効果を用いたデバイス
酸化物とバイオの融合 / バイオに学び、模倣し、活用するエレクトロニクス

教授 杉山正和
Masakazu SUGIYAMA

半導体技術を発展させ、太陽光から燃料をつくる技術にチャレンジしています。

教授 染谷 隆夫
Takao SOMEYA

フレキシブル大面積デバイスによって未来のエレクトロニクスを切り拓きたい。

教授 高木信一
Shinichi TAKAGI

デバイス・物性分野の研究では、自然との対話を大いに楽しむことができます。

教授 田中雅明
Masaaki TANAKA

二度とない若い時代です。何かを創造することに全力で打ち込みましょう。

教授 田畑 仁
教授 田畑 仁
Hitoshi TABATA

理由は要らない。“面白そう” からはじめよう。好奇心が旺盛で、根あか人間、来たれ。

教授 中野義昭
Yoshiaki NAKANO

普遍的な学問・原理を身につけ、未来を大胆に切り拓いて下さい。

准教授 大矢 忍
准教授 大矢 忍
Shinobu Ohya

まさに物質との対話。じっくり取り組むことにより、少しずつその新たな一面が見えてきます。

准教授 竹中 充
准教授 竹中 充
Mitsuru TAKENAKA

デバイスには未知の物理が溢れています。自ら新理論を発見して、21世紀のファラデーを目指そう!

講師 種村拓夫
准教授 種村 拓夫
Takuo TANEMURA

膨大な情報が溢れる時代だからこそ、本質を見極める力を身につけましょう。

准教授 松井 裕章
准教授 松井 裕章
Hiroaki MATSUI

明確な夢は経験を積み重ねることで見えてくる。明日に向かって挑戦しよう。

准教授 八井 崇
准教授 八井 崇
Takashi YATSUI

ナノフォトニクスによって光技術のパラダイムシフト実現を目指しています。

講師 横田 知之
講師 横田 知之
Tomoyuki YOKOTA

常に新しいことにチャレンジし続ける精神を大切に。

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