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平成25年8月23日
自然科学研究機構 分子科学研究所
独立行政法人 科学技術振興機構
独立行政法人 理化学研究所

世界で初めて、有機物に電圧を加えて超伝導を実現

自然科学研究機構 分子科学研究所(協奏分子システム研究センター)の山本 浩史 教授、須田 理行 助教、独立行政法人 理化学研究所の加藤 礼三 主任研究員、および同研究所創発物性科学研究センターの岩佐 義宏 チームリーダー、中野 匡規 客員研究員(現所属・東北大学)らの研究グループは、最先端のシリコンテクノロジーに用いられている「歪み制御」技術注1)を用いて、有機物に電圧を加えることで動作する超伝導スイッチを世界で初めて開発しました。この技術は将来、低コスト・省エネルギーで製造可能なフレキシブルデバイスの開発につながる可能性があります。

本成果は、JSTの戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の「革新的次世代デバイスを目指す材料とプロセス」研究領域における課題の一環として行われ、英国Natureグループが発行するオンライン限定の学際的Nature姉妹誌『Nature Communications』に8月23日(英国時間)に掲載されます。

<研究の背景>

超伝導は伝導体の電気抵抗がゼロになる現象で、その発見以来さまざまな研究が行われてきました。現在では医療用MRIや化合物同定に使うNMR、生体磁気センサー、電圧標準などに用いられているほか、電車用の送電線やリニアモーターカー・船舶用モーターなどにおける省エネ技術にも利用されようとしています。また最近の研究では、超高速・省電力コンピューターや、高速暗号解読に有利と言われている量子コンピューターなどへの応用についても注目を集めています。有機物も温度を下げると超伝導状態へと変化することは以前から知られていましたが、超伝導をより高度に利用するためには、電圧でのスイッチ(トランジスタ動作)が重要です。しかしながら有機物を使って超伝導体と常伝導体の間を電圧でスイッチする方法は知られていませんでした。

<研究の成果>

今回研究グループは、κ−Br(正式名称はκ−(BEDT−TTF)Cu[N(CN)]Br)という有機物質を用いて電界効果トランジスタ注2)を作り、その歪みをゲート基板によって制御することによって超伝導スイッチを実現しました(図1)。現在シリコンデバイスで広く用いられている歪み技術では、ゲルマニウムとシリコンの結合長ミスマッチによる歪み生成が用いられていますが、今回の実験では有機物(κ−Br)と無機ゲート基板(ニオブをドープしたチタン酸ストロンチウム:Nb−SrTiO)との熱膨張係数ミスマッチによって歪み制御を実現しています。この技術により、κ−Brの歪みをちょうど超伝導と絶縁体との間で相転移注3)が起きるぎりぎりのところに制御することができます。このような状況でゲート電圧(V)をかけて電場を加えると、図2にしめすように電圧が9Vのところで超伝導状態へと変化して、電気抵抗が突然下がるという現象が観測されました。

<今後の展開>

有機物を使ったトランジスタは、ディスプレイなどの大面積装置を作る際に、印刷や塗布で製造できるため、安価で環境にやさしい電子回路として注目を集めています。また、素材が軽くて柔らかいため、落ちても割れないフレキシブルな電化製品を作るのに向いているとされています。このため、有機トランジスタは世界中で盛んに研究されていますが、スイッチがONになったときに流れる電流が小さいことが、動作速度を上げる時のネックになっていました。今回開発したデバイスでは、超伝導という究極の伝導性を使って、有機トランジスタでも大きなON電流が流せることを証明しました。同じような原理で金属状態と絶縁体状態をスイッチする有機デバイスが室温で動作するようになれば、これまで有機トランジスタの弱点であったON電流の問題を解決し、多くのフレキシブルデバイスに採用されるようになると考えられます。

<研究グループ>

本研究は、自然科学研究機構 分子科学研究所(協奏分子システム研究センター)の山本 浩史 教授、須田 理行 助教と、理化学研究所の加藤 礼三 主任研究員、同研究 所創発物性科学研究センターの中野 匡規 客員研究員(現所属:東北大学 金属材料研究所)、岩佐 義宏 チームリーダー、川崎 雅司 グループディレクターの共同研究により行われました。

<研究サポート>

JSTさきがけ、JST-SICORP
科研費:No.22224006, 21224009, 25708040, 24226002 および 25000003
日本学術振興会FIRSTプログラム

<参考図>

図1

図1 デバイス模式図とスイッチングの様子

左のOFF状態ではκ−Brが絶縁体(桃色)となっているが、ゲート電圧をかけると超伝導体(黄色)が島状に出現し、島と島が互いにつながるとスイッチがONになる。

図2

図2 ゲート電圧によって誘起された超伝導転移

各ゲート電圧(V=−3V〜9V)において、温度を変化させながら測定したデバイスの電気抵抗。ゲート電圧がマイナスの場合は温度を下げると抵抗が増大するが、正のゲート電圧をかけた場合は徐々に抵抗が減少し、Vが9Vに到達すると、5ケルビンで超伝導転移が起きてデバイスがONになる。

<用語解説>

注1)歪み制御シリコン
デバイスの動作周波数を上げるためにシリコンの格子に歪みを入れて、伝導電子の速度を上げる技術。近年の高性能プロセッサの多くにこの技術が採用されている。
注2)電界効果トランジスタ
電気信号増幅器の一種。電界効果トランジスタを使ったCMOS回路でデジタル信号処理を行うと、消費電力を低く抑えながら高速の動作をすることができるため、現在ほぼ全てのコンピューター、および多くの画像センサー(デジタルカメラ)はこの素子によって駆動されている。ゲート電圧によって半導体の電気抵抗をスイッチするのが特徴。
注3)相転移
水と氷のように、同じ物質で構成されていながら、その性質が全く異なる状態を「相」と呼び、その間を行き来する現象を「相転移」という。今回のデバイスでは、電子が「固体」となって電気を運べなくなった絶縁相と、電子が「液体」となって電気を流すようになった超伝導相との間で相転移が起きている。

<論文情報>

掲載誌:Nature Communications
論文タイトル:A Strained Organic Field-Effect-Transistor with a Gate-Tunable Superconducting Channel
  (ゲート制御可能な超伝導チャネルを有する歪み有機トランジスタ)
著者:Hiroshi M. Yamamoto, Masaki Nakano, Masayuki Suda, Yoshihiro Iwasa, Masashi Kawasaki, and Reizo Kato
doi: 10.1038/ncomms3379

<お問い合わせ先>

<研究内容に関すること>

山本 浩史(やまもと ひろし)
分子科学研究所 協奏分子システム研究センター 教授
Tel:0564-55-7334 Fax:0564-55-7325
E-mail:

加藤 礼三(かとう れいぞう)
理化学研究所 主任研究員
Tel:048-467-9408  Fax:048-462-4661
E-mail:

岩佐 義宏(いわさ よしひろ)
理化学研究所 創発物性科学研究センター チームリーダー
Tel:048-462-1111
E-mail:

<報道担当>

自然科学研究機構 分子科学研究所 広報室
Tel/Fax:0564-55-7262
E-mail:

科学技術振興機構 科学技術振興機構 広報課
Tel:03-5214-8404 Fax:03-5214-8432
E-mail:

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel:048-467-9272 Fax:048-462-4715
E-mail:

(英文)A Strained Organic Field-Effect-Transistor with a Gate-Tunable Superconducting Channel