原子3個分の薄さの半導体が、音波に合わせて光り方を変えた——理研・慶應大が2.65ナノ秒の1周期を可視化【研究段階】

半導体というと、厚みのあるシリコンの板を思い浮かべる人が多いはずです。半導体の基本は「半導体とは、電気を「通す・通さない」を切り替えられる物質」で解説しています。今回の主役は、その常識を超えて薄い「シート状の半導体」です。

原子層二次元半導体とは何か

原子層二次元半導体とは、原子が数個分の厚さで平らに広がった半導体のシートです。理研・慶應大の発表は、対象を「原子3個分ほどの厚さ」と表現しています。

プレスリリースの転載によると、材料は単層のセレン化タングステン（WSe₂）です。タングステン原子の層を、セレン原子の層が上下からはさむ構造なので、原子3個分の厚みになります。この構造の説明は本記事の補足で、発表文が直接書いたものではありません。

厚みがほぼゼロなので、外からの光や力に性質が敏感に反応します。この敏感さは、シリコンの微細化が限界に近づくなかで、「シリコンの限界の先で、原子1個分の薄さの膜がトランジスタを救う」で扱った次世代トランジスタの候補にもなっています。

何が「光る」のか：励起子とは

このシートに光を当てると、電子が押し上げられ、その跡に穴（正孔）ができます。励起子とは、この電子と正孔が結び付いてできたペアです。

ペアは長くは続きません。電子が穴に戻るとき、エネルギーが光として放たれます。これが発光です。発光の色はペアのエネルギーで決まり、明るさはペアの数、寿命はペアが消えるまでの速さを表します。

なぜ音波を当てると光り方が変わるのか

研究グループが使ったのは、表面弾性波です。表面弾性波とは、物体の表面だけを伝わる音響波（振動の波）の一種です。波が通る場所は、周期的に伸びたり縮んだりします。

この伸び縮みを「ひずみ」と呼びます。シートがひずむと、励起子のエネルギーが変わり、色が動きます。電子の状態間の散乱や、発光が消えていく過程も変わるため、明るさや寿命も揺れます。

何が「見える化」されたのか

今回の成果の中心は、変化を止まった写真ではなく、動画のように追跡したことです。光パルスの列と表面弾性波のタイミングを精密にそろえ、発光測定と基板表面の微小な振動の測定を組み合わせました。

プレスリリースの転載によれば、音波の周波数は377MHzです。1周期は約2.65ナノ秒（10億分の2.65秒）で、この短い1周期を細かく切り分けて観察しました。周波数から周期を計算すると約2.65ナノ秒になり、数字は整合します。

観察の結果、最大約**0.045％**という極めて小さなひずみで、励起子のエネルギーだけでなく、電子状態間の散乱や発光の減衰過程も周期的に変わると確認されました。論文はScience Advancesに2026年8月22日（日本時間）に掲載されました。

量子デバイスの何に使えると期待されているのか

研究グループは、この成果を励起子を動的に操作するための基盤技術と位置づけています。「高機能な量子光デバイスの実現に近づく成果」との評価も、発表文に示されています。

量子光デバイスとは、光の粒（光子）の性質を利用する装置の総称です。プレスリリースの転載には、期待される応用として次の3つが挙がっています。

• 励起子輸送デバイス（励起子を狙った場所へ運ぶ素子）
• ひずみセンサー（微小な変形を光で読み取る素子）
• 単一光子源（光の粒を1個ずつ出す光源）

量子技術の全体像は「0でも1でもある計算機。量子コンピュータは何がそんなにすごいのか」、電子の別の性質を使う技術は「電子の“自転”を使う半導体が、電源を切っても記憶を保つ」で扱っています。

実用化までどれくらい距離があるのか

結論から言うと、実用化の時期は未定です。今回は、音波と発光の関係という基礎物理現象を可視化した段階であり、デバイスの試作には至っていません。

理研・慶應大の発表は、応用の方向性を示しましたが、製品化の時期や量産の計画には触れていません。発表に含まれていない点は、次の3つです。

• 実際のデバイスに組み込んだときの性能や安定性
• 大面積・低コストで同じシートを作る方法
• 応用先ごとの目標時期

したがって現時点では、半導体産業や企業業績への影響を測る材料ではなく、研究動向として押さえておく成果だと言えます。

この記事のまとめ

• 理研・慶應大は2026年8月28日、原子3個分ほどの厚さの二次元半導体に表面弾性波を伝え、発光が音波に合わせて変わる様子を可視化したと発表した。
• 観察したのは約2.65ナノ秒の1周期で、最大約0.045％のひずみが励起子の状態と発光の消え方を周期的に変えることを確認した。
• 成果は2026年8月22日（日本時間）にScience Advancesへ掲載された。
• 期待される応用は励起子輸送デバイス・ひずみセンサー・単一光子源など。ただし研究段階であり、実用化時期は未定である。
• 音波でシートの光を動かせることは、量子光デバイスを作るための基盤技術として位置づけられている。