どの家庭にも何十ものレーザーがある。Blu-rayディスクのデータ読み取り、光ファイバーケーブルを通じた電話の伝送、スーパーのレジでの商品スキャン、サブミリ精度の手術器具の誘導に使われている。レーザーのマイクロ波版であるメーザーには、そんな輝かしい経歴はない。発明から70年が経った今も、メーザーは物理学実験室に閉じ込められ、動作に極低温や真空チャンバーを必要としている。しかし、それもようやく変わりつつあるかもしれない。研究者らは初めて、室温で動作する半導体メーザーを実証した。これは炭化ケイ素で作られており、同材料はパワーエレクトロニクスやLED照明ですでに大量生産されている。
Nature Communicationsに発表されたこの画期的成果は、単なる温度記録以上の意味を持つ。メーザーが1960年代から1970年代にかけてレーザーが辿ったのと同じ道を歩む可能性を示唆している。すなわち、かさばる実験装置から、コンパクトで大量生産され日常技術に組み込まれる部品への道である。
メーザーとレーザーは同じ基本物理に基づいている。どちらも誘導放出に依存している。これは、励起された原子や分子が通過する光子によってトリガーされ、同一の光子を放出して信号を増幅するプロセスである。違いは波長だ。レーザーは可視光または赤外光を生成する。メーザーはマイクロ波と電波を生成する。1954年にチャールズ・タウンズが作った最初のメーザーはアンモニアガスを使用し、パン箱ほどの大きさだった。エレガントな物理学ではあったが、実用的な工学ではなかった。動作させるには、アンモニア分子を真空チャンバー内で電場によって分離する必要があり、わずか数ナノワットの出力しか得られなかった。
固体メーザーは改善されたが、別の障害をもたらした。4ケルビンで沸騰する液体ヘリウムの必要性である。固体の結晶格子は振動を発生させ、メーザー作用に必要な反転分布を破壊するため、デバイス全体を絶対零度近くに保たなければならない。この極低温要件により、メーザーは電波天文学用の非常に感度の高い検出器にはなったが、商業利用には全く適さなくなった。対照的に、レーザーは半導体に逃げ道を見つけた。1962年に実証され、その後数十年にわたって商品化された半導体レーザーダイオードは、小型で効率的、かつ安価に製造できるようになった。
新しいメーザーは、マイクロ波でも同じことを目指している。4H-炭化ケイ素の結晶を使用している。これはSiCの多形であり、高電圧パワーエレクトロニクスや電気自動車のインバーターですでに広く使用されている。メーザー作用は、結晶格子内の特定の種類の欠陥、すなわちケイ素空孔から生じる。これは、単一のケイ素原子がその位置から欠落し、スピン活性な電子中心を残したものである。これらのVsi中心は、最初のレーザーにおけるルビー結晶の役割を模倣しているが、重要な利点がある。それらは原理的に電気的に励起可能な半導体の内部に位置している。
研究者らは、室温以上の315ケルビン（摂氏42度）での連続波動作を実証した。鍵となったのは、マイクロ波共振器のQ値を5倍に増幅する能動的帰還ループであり、ケイ素空孔からの弱い利得が持続発振に成長するのに十分な時間、マイクロ波場を効果的に閉じ込めた。110ケルビンでは、デバイスは10デシベルを超える利得を達成した。室温では、安価なレーザーダイオードで生成される波長808ナノメートルにおいて617ミリワットの光励起電力で、出力電力は1ヘルツあたりマイナス80dBmに達し、実用的なマイクロ波受信機で遭遇する信号に匹敵するレベルであった。
メーザーが単なる実験室の好奇心以上のものであることを証明するため、チームは同じデバイスを使用して3つの異なるアプリケーションを実証した。1つ目は、雑音指数が1〜3.5デシベルの低ノイズ増幅器であった。比較すると、従来の室温マイクロ波増幅器は6デシベル以下に抑えるのに苦労している。メーザー増幅器が低ノイズを達成するのは、誘導放出が抵抗増幅とは異なり、信号に熱雑音をほとんど加えないためである。これにより、量子読み出し回路、電波天文学受信機、5Gや6Gの基地局に役立つ可能性がある。
2つ目のデモンストレーションはさらに異例であった。マイクロ波冷凍機である。メーザーは、増幅ではなくマイクロ波を吸収するように調整されると、空洞モードからエネルギーを抽出するヒートポンプとして機能する。研究者らは、空洞モードの温度がデバイスの周囲温度より40ケルビン低下するのを測定した。これは、レーザー冷却トラップが原子に対して行うのと類似した、マイクロ波周波数における能動冷却の一種であり、希釈冷凍機を必要とせずに敏感な量子回路を熱雑音から保護するのに役立つ可能性がある。
3つ目のデモンストレーションは磁力計であった。ケイ素空孔中心はそのスピン特性により磁場に敏感であるが、従来の光学的方法でそのスピン状態を読み出すのはノイズが多い。メーザーは代替手段を提供する。スピン状態がメーザー利得を変調し、それが出力電力を変調する。この読み出しは、1平方根ヘルツあたり20ピコテスラの感度を達成した。コントラスト対線幅比は、従来の光学読み出しに比べて9桁改善された。9桁の違いは、腕時計と宇宙の年齢ほどの差である。
ダイヤモンド（以前のメーザー実験で使用されてきた）ではなく炭化ケイ素を選択したのは意図的である。ダイヤモンドメーザーはギガヘルツ範囲のゼロ磁場分裂に悩まされており、スピンエネルギー準位がゼロ磁場でもすでに大きく分離していることを意味する。これにより、メーザー周波数を調整したり、増幅と吸収を切り替えたりすることが困難になる。炭化ケイ素のゼロ磁場分裂はわずか70メガヘルツで、約100分の1である。わずか2.5ミリテスラの磁場変化があれば、デバイスを増幅と吸収の間で切り替えるのに十分である。この調整可能性は実用的なアプリケーションに不可欠である。1つの固定周波数しか冷却できない冷凍機は、保護する回路の特定の熱雑音ピークに合わせて調整できるものよりもはるかに有用性が低い。
より広い意義は材料の互換性にある。炭化ケイ素は量子実験のためだけに育てられた特殊な結晶ではない。電気自動車、太陽光インバーター、高電圧電源向けにすでに年間数百万枚のウェハーを生産している工場で製造される標準的な半導体である。SiCの製造、ドーピング、コンタクトのインフラは成熟している。これは、レーザーダイオードに類似した、電気駆動のメーザーダイオードの可能性を提起する。808ナノメートルの外部光励起を必要とする代わりに、そのようなデバイスは電子と正孔を炭化ケイ素に直接注入し、反転分布を電気的に生成する。チップに収まるほど小さく、民生電子機器に組み込めるほど安価な半導体メーザーダイオードは、レーザーダイオードが光にもたらしたのと同じ革命をマイクロ波にもたらすだろう。
レーザーが光に対して行ったこと（基本的な物理効果の小型化、工業化、民主化）を、半導体メーザーは今やマイクロ波に対して行うかもしれない。最初のレーザーは、実験台を占領する螺旋フラッシュランプの中のルビーロッドだった。今日では、塩粒ほどの大きさのレーザーダイオードがインターネットを動かしている。最初の半導体メーザーはまだそれよりもかさばるが、室温で動作し、すでに大量生産されている材料から作られており、増幅、冷却、そして感知を行う。レーザーの歴史は、デバイスが半導体から作られるようになれば、普及への道は開かれることを示唆している。
雅子 訳
参考文献： Nature Communications 17, 7267 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75446-2