電子信号の電力損失をカットする

現代の電子機器は、電気と光の間で信号を切り替える際に大量のエネルギーを失います。これにより、特にコンピュータ プロセッサ、データ センター、医療画像機器などの高性能システムにおいて、速度が制限され、消費電力が増加し、熱が発生します。これを解決するために、英国エジンバラ大学の科学者たちは、光と電気の間でエネルギーをより効率的に移動できる新しい半導体材料を開発し、消費電力を抑えながらデバイスの動作を高速化しました。

この技術は、電気信号と光信号が連携して動作する必要がある光電子システムに取り組む科学者やエンジニアを対象としています。これらには、プロセッサー、データセンター内の光相互接続、ヘルスケアで使用される画像システムなどが含まれます。このようなシステムでは、非効率的な光の吸収と放出がエネルギーの無駄や性能の限界につながります。新しい素材はこれらのプロセスを改善し、より低いエネルギー損失でより効果的な信号変換を可能にします。

材料はゲルマニウムと錫の合金をベースとしています。一般に使用されているシリコンベースの半導体とは異なり、この合金は光をより効果的に吸収および放出できます。これにより、光を電気エネルギーに、また電気エネルギーを光に戻す速度の変換が可能になり、これは高速光電子デバイスに不可欠です。以前の研究では、理論上はゲルマニウムとスズの合金が高効率の半導体として機能する可能性があることが示唆されていましたが、実際に製造することはほぼ不可能と考えられていました。

主な課題は、標準的な条件下ではゲルマニウムとスズが通常互いに反応しないことでした。これにより、電子用途に適した安定した合金の形成が妨げられました。これを克服するために、研究者たちは極端な温度と圧力を使用する方法を開発しました。彼らはゲルマニウムと錫の混合物を1200℃以上の温度に加熱し、マリアナ海溝の底の圧力の約100倍である最大10ギガパスカルの圧力をかけた。

このプロセスにより、チームは単一の化合物だけでなく、安定したゲルマニウム - 錫半導体のクラス全体を作成することができました。これらの材料は、通常の室温および常圧でも安定して機能し続けるため、現実世界の電子および光電子デバイスに適しています。得られた合金は効率的な半導体として機能し、光と電気の間のエネルギー伝達の向上を可能にします。