コンピュータ技術は、前世紀に重々しい真空管から洗練されたチップへと飛躍的に進歩しました。そして今後数年間で、同等の規模の大きな変化が再び起こる可能性があります。これがコロンビア大学の研究者、ヤング・ダック・キム氏の目標であり、彼が開発した新しいグラフェン「電球」が、その道を照らす可能性があります。
キム氏は、チップ上に搭載可能なナノスケールの発光デバイスを開発しました。このデバイスは、電流の代わりに光を利用する、超高速、小型、軽量の新世代光子コンピュータの実現に貢献する可能性があります。
実際にそうなった時、レゴはその功績の一部を担うことができる。子供の頃に小さなブロックで遊んだことで、キムは手で何かを作ることの楽しさに気づいた。また、同じ要素が異なる構成で組み合わさることで、どんなものでも生まれるという考えにも慣れた。
「私の夢は科学者、特に物理学者になることでした」とキムは語る。彼の学問のキャリアは物理学から始まったが、その過程で、手を動かすことの魅力に抗いがたい魅力に気づいた。
「結局、理論は私には向いていなかったんです」と彼は笑う。「レゴを組み立てて何か新しいものを作るのが好きでした。そのプロセスは魅力的でした。」
キム氏は、自分の本当の情熱に気づいたことで、ナノ電気機械システムの超小型世界へと進み、そこでレゴブロックを組み立てるのではなく、原子レベルで新しい建築物を構築する方法を学びました。
キム氏は、もう一つの生涯にわたる情熱が、新たなキャリアへの転向を後押ししたと述べています。スノーボーダーとスケートボーダーとして熱心に活動していた彼は、難しい身体動作を習得するには、厳しい練習と多くの失敗が不可欠であることを知っていました。研究室では、その情熱が、わずか原子1個分の厚さしかない二次元炭素であるグラフェンを扱うために必要な繊細な機器の操作方法を根気強く学ぶことに繋がりました。
「ナノスケールの研究はエクストリームスポーツに似ています」と彼は説明する。「諦めずに、成功するまで何度も挑戦し続けるのです。」
レゴとエクストリームスポーツのおかげで、キムさんは粘り強さも身につけた。これは、実験室での偶然の出来事を画期的な発見に発展させる上で重要な特性だ。
この新しいグラフェン電球は、実は偶然の産物でした。4年前、キム氏は電流でグラフェンを加熱して「洗浄」しようとしていたところ、奇妙なことが起こりました。電流をゆっくりと上げていくと、グラフェンは予想外にも明るい可視光を発し始めたのです。
キム氏は、2004年にグラフェンが初めて発見されて以来、研究者たちが解明できなかった現象を観察していた。同氏はこの体験を、伝説の「コロンブスの卵」に例える。つまり、重大な発見への道筋は、発見されてしまえば単純明快に思える、という話だ。
キムはすぐに大きなことを成し遂げたと感じたが、他者を巻き込むのは容易ではなかった。潜在的な協力者の注目を集めるには、グラフェンの真価を説得力を持って示す必要があった。
キムが振り返るように、研究チームを編成したことが決定的な突破口だった。「このプロジェクトを活性化させなければならないと分かっていたので、研究室を訪ね、人々を探し、データや画像、動画を見せ、話し合いました。…他の人たちなしでは、何も成し遂げられません。」
再び、忍耐と粘り強さが報われました。コロンビア大学工学部のジェームズ・ホーン教授の研究室を通して、キム氏はグラフェンから放出される光を定量化し、その背後にある正確なメカニズムを解明するために協力してくれる同僚を集めました。
その成果は、6月にNature Nanotechnology誌オンライン版に「グラフェンからの高輝度可視光発光」という分かりやすいタイトルで掲載された論文となり、キム氏の当初の発見を裏付け、さらに詳細に説明した。キム氏とコロンビア工科大学の共著者ホーン氏に加え、ソウル国立大学と韓国標準科学研究院の科学者らもこの研究に貢献した。
グラフェン電球は、従来のエジソン電球を文字通り原子サイズまで縮小し、コンピューターチップの表面上に配置したものです。キム氏が指摘するように、トーマス・エジソンも、照明の初期の先駆者たちと同様に、電球のフィラメントに炭素を採用しました。
他の材料は加熱すると崩壊したり、チップに使用するには熱放射が大きすぎたりします。今回の研究では、2つの電極の間に吊るされたグラフェンは、肉眼で見える明るい光を発するまで極度の温度まで加熱できますが、熱は主にグラフェンの中央部分に閉じ込められ、周囲の構造は損傷を受けないことが示されています。
グラフェン電球は、フォトニックコンピューティングに最適な特性も備えています。
「グラフェンの最も重要な特性の一つは、非常に速く加熱され、そして非常に速く冷却されることです」とキム氏は説明する。実質的には超高速バイナリコードとして機能し、光子コンピューティングに最適なのだ。
キム氏は、その速度は10ギガヘルツ以上、場合によっては100ギガヘルツに達する可能性があると予想している。キム氏によると、その速度であれば、光子コンピューターはスターウォーズ映画シリーズの最初の7エピソードすべてを1秒でダウンロードできるという。
この研究はまだごく初期段階ですが、学界とコンピュータ業界の協力により、この新技術を使った透明でフレキシブルなディスプレイがわずか5年後に実現する可能性があるとキム氏は予測しています。
「10年以内に、グラフェンを使用した光子回路を作れるようになる」と彼は、練習、粘り強さ、そしてチームワークが必ず報われると確信して断言する。
