NTT物性科学基礎研究所

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2017年05月19日

熱ノイズを選り分けて電流を流すことに成功

~マクスウェルの悪魔による発電~

NTT物性科学基礎研究所は、トランジスタ※1内でランダムな方向に動く電子(熱ノイズ)を観測し、一方向に動く電子のみを選り分けることで電流を流し、電力を発生することに成功しました。これは、熱力学分野で長年パラドックスとして議論されていたマクスウェルの悪魔※2の原理を利用することで実現したものです。

熱ノイズは無秩序な電子の動きであり、電子の動きを平均化すると、どの方向にも動いていません。一方、電流は一定の方向への電子の流れです。通常、外部電源などを用いず、無秩序な熱ノイズから、電流という秩序性を持った動きを生み出すことは不可能です。しかし、もし個々の電子の動きを観測し一定の方向に動く電子のみ選び出すことができれば、電流を生成することができるはずです。この、電子を選び出す作業をするのが「マクスウェルの悪魔」と呼ばれるもので、150年以上前に思考実験として提案されました。しかし、実際に「マクスウェルの悪魔」を実現することは困難であり、これまでの実験は基本的な原理実証に留まっていました。

NTTは、トランジスタ内の電子一個の動きを観測し、その結果に基づいてトランジスタを操作する技術を用いることにより、電流を生成することに成功しました。これにより、初めて「マクスウェルの悪魔」を利用した熱ノイズからの電力の生成が実現できました。ここで得られた知見は、電子デバイスの消費電力の下限や、生体中の微小な熱機関におけるエネルギー変換効率と深く関係しており、これを利用することにより、新たな高効率デバイスの創生に繋がると期待されます。

この成果は、2017年5月16日(英国時間)に英国科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ(Nature Communications)」オンライン版で公開されました。

ニュースリリース
ナノデバイス研究グループ

研究の背景

通常、熱ノイズのような無秩序な動きから、外部電源を用いずに、電流のような秩序を持った動きを生み出すことはできません(熱力学第二法則※3)。個々の電子の動きを観測して選び出すマクスウェルの悪魔は、この熱力学第二法則を破っているように見え、150年以上議論が続けられてきました。その結果、マクスウェルの悪魔が電子の動きを観測して、その情報を得る際にエネルギーが必要であり、これが電流を流す電源としての役割を果たし、熱力学第二法則を満たすことが分かってきました。この知見は、1ビットの情報を得るためには一定の量のエネルギーが必要であり、逆に1ビットの情報を持っていることにより最大でその量のエネルギーを生み出すことができる、ということを意味しており、情報とエネルギーを結びつけた情報熱力学へと発展しています。情報熱力学は、電子デバイスの電力の下限や、生体中の微小な熱機関におけるエネルギー変換効率と深く関係していることが知られており、これを利用することにより、新たな高効率デバイスの創生に繋がると期待されます。

マクスウェルの悪魔の原理を利用して熱ノイズから電力を生成するには、熱運動している電子を正確に観測すること、観測して得た情報を使って電子を選り分けること、そして選り分けた高いエネルギーを持った電子を外部に取り出すことが必要です。しかし、実際にこのようなデバイスを作製することは困難で、これまでの実験的研究は電子を選り分ける段階に留まっており、電力を取り出すことはできていませんでした。

研究の成果

今回、NTTは、ナノメートルスケールのシリコントランジスタから成る単電子デバイス※4図1)を用いて、熱ノイズから電流を生成することに成功しました。生成された電流を使って、別のデバイスを駆動することが可能であり、マクスウェルの悪魔の原理を利用した発電が実現できたといえます。

行った実験の説明】

実験では、2つのナノメートルスケールのシリコントランジスタを用いて形成した電子箱を利用しました。電子箱の入口側と出口側のトランジスタをオン・オフすることで、電子箱の入口側の扉(入口扉)と出口側の扉(出口扉)を別々に開閉することができます。電子箱中の電子数は、その近傍に作製された検出器の抵抗を測定することにより、リアルタイムで検出できます。

マクスウェルの悪魔の動作は以下の手順で実現しました(図2)。

  1. 入口扉を開けて、入口と電子箱の間における電子のランダムな熱運動を観測する。
  2. 電子が電子箱に入って来たときに、入口扉を閉めて、電子箱に電子を閉じ込める。
  3. 出口扉を開けて、電子箱と出口の間における電子のランダムな熱運動を観測する。
  4. 電子が電子箱から出て行ったときに、出口扉を閉めて、出口へ電子を追い出す。

この1~4を繰り返して電子を1個ずつ入口から出口に移動させることにより、電流を生成できます(図2)。通常、電流は電位差で決まる向きに流れますが、エネルギーの高い電子を選り分けることにより、電位差を登る向きに電流を流すことも可能です(図3)。

技術のポイント:シリコン単電子デバイスの集積化

マクスウェルの悪魔を実現するためには、電子一個の精度で正確な観測を行える検出器と正確に開閉できる扉が必要です。NTTでは、ナノメートルスケールのシリコントランジスタを用いて、電子をひとつひとつ観測・制御する技術について長年研究を重ねてきました。これまでの研究で、ナノメートルスケールの非常に小さな電荷検出器を作製し、室温で電子をひとつひとつ検出することに成功しています。また、電子一個を間違いなく閉じ込めておけるシリコントランジスタを作製する技術を利用することで、正確な扉の開閉を実現できています。これらの機能を、ひとつのシリコン単電子デバイスにまとめあげることで、熱運動する電子を選り分けるマクスウェルの悪魔を実現することができました。

今後の展開

ここで得られた知見は、電子デバイスの消費電力の下限や、分子モーター※5などの生体中の微小な熱機関におけるエネルギー変換効率と深く関係しています。分子モーターではマクスウェルの悪魔が活躍しており、熱ノイズのランダムな運動を利用しながら適切なタイミングで動作し、高いエネルギー変換効率を実現していると考えられています。電子デバイスにおいても、生体の仕組みを利用した、高効率な動作の実現を目指します。

論文掲載情報

Kensaku Chida, Desai Samarth, Katsuhiko Nishiguchi, and Akira Fujiwara
Power generator driven by Maxwell’s demon
Nature Communications (2017).

用語解説

※1 ... トランジスタ
電気信号のスイッチや増幅を行うことのできる半導体デバイス。今回は、シリコン上に絶縁膜(シリコン酸化膜)を介して形成されたゲート電極に電圧を印加することによりシリコン中に流れる電流をオン・オフさせる、電界効果トランジスタを利用しています。

※2 ... マクスウェルの悪魔
1867年頃にイギリスの物理学者マクスウェルが行った思考実験に登場する分子の熱運動を観測して、分子を選り分けることのできる存在。今回は、電子の熱運動(熱ノイズ)を観測して、電子を選り分ける悪魔を実現しました。

※3 ... 熱力学第二法則
自然に変化する方向に関する法則。熱は高温側から低温側へ流れ、不均一なものは均一になり、秩序立ったものは無秩序になります。この変化の方向に逆らうためには、外から仕事を加えなければなりません。

※4 ... 単電子デバイス
電子1個の精度での操作や検出が行える電子デバイス。

※5 ... 分子モーター
細胞内で様々なエネルギーを機械運動に変換して生物の活動を支えている分子。筋肉が動く時や食物からエネルギーを産み出すときに重要な役割を担っています。熱ノイズのランダムな運動に応じて適切なタイミングで動作することで、非常に高いエネルギー変換効率を実現していると考えられています。