ローレンス・バークレー国立研究所（バークレーラボ）とジョージ・ワシントン大学の研究チームは、半導体内の原子が自己組織化して形成する「短距離秩序（SRO）」と呼ばれる局所的なパターンが、材料の電子特性に大きな影響を与えることを実証しました。この画期的な研究成果は、2025年9月に科学誌『サイエンス』に発表されました。
本研究では、量子コンピューティングやオプトエレクトロニクス分野で注目されるゲルマニウム・スズ（GeSn）合金を対象としました。最先端の4D走査透過型電子顕微鏡（4D-STEM）を用いた分析により、GeSnサンプル中に繰り返し現れる原子配列が観測され、半導体材料におけるSROの直接的な実験的証拠が初めて得られました。この観測結果の解釈には、ジョージ・ワシントン大学のTianshu Li氏の研究室が開発した、数百万個の原子をシミュレーションできる高度な機械学習モデルが活用されました。これにより、実験で得られた原子パターンと特定の原子構造を正確に照合することが可能となり、モデリングと実験の統合によるGeSn合金におけるSROの包括的な理解が深まりました。
この発見は、将来のマイクロエレクトロニクスデバイスの開発に大きな影響を与える可能性を秘めています。SROを精密に制御することで、科学者は半導体の電子特性を効果的に調整できるようになり、より効率的で特殊化された電子部品の創出につながります。これは、原子スケールでの半導体設計に向けた重要な一歩となります。特にGeSn合金は、その調整可能なバンドギャップにより、光通信やセンサー分野での応用が期待されています。
本研究は、量子材料、ニューロモルフィックコンピューティング、光学検出器など、幅広い技術分野に影響を与える可能性があり、米国エネルギー省科学局および分子鋳造所からの支援を受けています。また、この成果は2025年3月にシアトルで開催されたMRS（Materials Research Society）春季会議および展示会でも発表されました。研究には、Anis Attiaoui氏、John Lentz氏、Lilian Vogl博士、Joseph C. Woicik氏、Jarod Meyer氏、Shunda Shen氏、Kunal Mukherjee氏、Tianshu Li氏、Andrew Minor氏、Paul McIntyre氏らが関わっています。Lilian Vogl博士は、研究当時バークレーラボの博士研究員でしたが、現在はマックス・プランク持続可能材料研究所のグループリーダーを務めています。Tianshu Li氏は、ジョージ・ワシントン大学の土木環境工学教授です。