次世代コンピュータ：新配線材料がチップ技術を革新するかも知れない

2025年1月18日

当記事のリンクにはアフィリエイト広告が含まれています。

私たちの世界における急速な技術進歩は、より小型の電子チップを設計・製造する能力によって実現されてきた。これらのチップは、コンピュータ、携帯電話、そして現在展開されているあらゆるスマートデバイスの基盤となっている。

多くの課題の一つは、電子部品の小型化に伴い、より多くの熱が発生することである。チップ上のトランジスタを接続する配線を薄くしながら、発生する熱を最小限に抑えることが重要な課題となっている。

これらの相互接続は通常、銅で作られており、ナノスケールの厚さまで小型化すると、配線に沿って移動する電子が配線の表面に衝突する確率が高くなるため、電気抵抗が急激に増加する。この散乱として知られる現象により、エネルギーが廃熱として放出され、同じ性能を維持するためにより多くの電力が必要となる。

スタンフォード大学のグループは、ニオブリン化物（NbP）として知られる材料の薄膜が、5ナノメートル（nm）以下の厚さ（現在のチップの配線の一般的な厚さは約10nm-30nm）において、銅よりもはるかに高い導電性を示すことを示す新しい論文を発表した。この改善は、NbPが独特の量子特性を持つ材料であることによる。

NbPはトポロジカル材料として知られる材料群に属し、その原子構造により独特の電子特性を持ち、2016年のノーベル物理学賞の研究対象となった。表面に沿った導電性は極めて高く、材料の形状やサイズの変化に関係なく一定を保つ（物理学者はこれを「トポロジカルに保護された表面状態」と呼ぶ）。

言い換えれば、形状を変えても簡単には破壊されない堅牢な性質を持っている。材料を薄くしたり、曲げたり、凹凸を付けたりしても、表面で観察できる特別な導電性は維持される。

これは重要な特性である。なぜなら、電気配線の厚さを減少させながら、電気を容易に流すことができる能力は、製造コストと複雑さをエネルギー効率と両立させる鍵となるためである。これによりNbPは他の材料に対して大きな優位性を持つ。

無秩序と秩序

スタンフォードチームによる発見で特に注目すべきなのは、これらの量子特性が無秩序な薄膜で観察されたことである。つまり、ニオブリン化物は導電性を最大化するように最も制御された方法で製造されたわけではない。

チョコレートバーの製造に良い例えがある：溶かしたチョコレートの冷却過程を制御して、慣れ親しんだ光沢のある最終製品を作ることが重要である。このプロセスはテンパリングとして知られている。これを試したことがある人なら、テンパリングしていないバージョンがいかに鈍く柔らかくなるか、そしてそれが味にどう影響するかを知っているだろう。

テンパリングしたチョコレートとしていないチョコレートの違いは、チョコレートの構造内にある個々の結晶の大きさ（言い換えれば、秩序の程度）にある。テンパリングしていないチョコレートには、互いに無秩序な複数の小さな結晶が含まれている。テンパリングしたチョコレートを作るために、製造業者は制御された方法で冷却し、また均一な結晶構造の成長を促進するためにテンパリングしたチョコレートの一片を加える。

このテンパリングを省略できれば、どれほど便利かを想像してみてほしい。製造工程が効率化されるだけでなく、必要なエネルギーも削減できる可能性がある。これが本質的に、Stanfordチームが彼らの材料に関して示したことである。

技術的な言い方をすれば、ニオブリン化物は長距離秩序を持っていなかった。これは、最適なバージョンに関連付けられる小さな結晶をいくつか含んでいた可能性があるものの、材料全体としては無秩序な合金とみなされていたことを意味する。

にもかかわらず、トポロジカルに保護された表面状態という特異な量子現象により、超薄膜として優れた導体であった。この効果が無秩序な材料でも発生するのであれば、製造プロセスが大幅に簡略化され、コストにも好影響を及ぼす。

これは、量子効果がいかに導電性の大幅な改善につながり、近い将来により強力でエネルギー効率の高いコンピュータチップの生産を可能にする可能性があることを示している。重要な疑問の一つは、製造目的で十分な量のニオブリン化物が入手可能かどうかである。

これは我々の専門分野ではないが、リンは地殻中で炭素とほぼ同程度に豊富であり、ニオブは銅の約3分の1程度の存在量で、コバルトやニッケルとほぼ同程度である。これは十分な供給量を示唆しているが、専門家がこれらの元素を鉱石から抽出する相対的なコストを検討する必要がある。

この分野で働く我々にとって、この発見は、タンタルリン化物やタンタルヒ素化物などの他のトポロジカル材料も同様の振る舞いを示すかどうかという疑問も提起している。また、NbPサンプルがこのような挙動を示すために必要不可欠な要素は何なのか。これらの疑問は、将来の低消費電力コンピューティング技術を実現するためのソリューションを探求する科学者たちを引き続き魅了するだろう。

本記事は、ラフバラ大学物理学上級講師Mark Greenaway氏、ラフバラ大学物理学上級講師Fasil Dejene氏、ラフバラ大学実験物理学教授Kelly Morrison氏らによって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Next generation computers: new wiring material could transform chip technology」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。