NTTは2016年7月5日、英国国立物理学研究所（National Physical Laboratory：NPL）と共同で、シリコントランジスタで作成した単電子転送素子（電子を1個ずつ正確に運ぶ素子）を1GHzで高速動作させ、ギガヘルツ領域での世界最高精度（9.2×10−7以下のエラー率）を実証したと発表した（ニュースリリース）。電流の基本単位であるアンペアの再定義に繋がる成果で、更に基礎物理定数に矛盾がないことを検証する量子計測三角形の実験への応用も期待されるなど、基礎物理分野に大きく貢献すると考えられる。
国際単位系（SI）は、2011年にプランク定数hや電荷素量eなどの自然不変量を利用した定義に変更することを提案されている。この再定義では、電流の基本単位であるアンペアは、これまで測定値であったeを固定値とし、電流標準によって電流ef（f：周波数）を生成することで設定される。クロック制御を利用して電子を1個ずつ正確に運ぶ単電子転送素子は、最も直接的な電流標準として利用できると期待されている。
今回、NTTが長年蓄積してきたナノメートルスケールのシリコントラジスタをウエハレベルで作製する技術を応用した。2層ゲートと微細単電子島を持つ構造を歩留まりよく作製できる。単電子島を微細にすると、電子の帯電エネルギーが大きくなり、高精度動作が期待できるという。10ナノメートルレベルの細線にゲート電圧による閉じ込めを与えることで、ギガヘルツ領域での高精度動作を可能にした。
また、NPLの高精度電流測定系を利用した。単電子転送電流と1GΩの高精度な標準抵抗を流れる参照電流を比較する手法により、不確かさを10−6程度まで落とした高精度な測定を実現した。これは、従来の評価と比べてエラー率として2桁程度の向上となる。また、この測定系では異なる材料、研究機関で作製された素子の測定も実施し、今回の成果は10−6レベルでの可変障壁単電子転送素子の普遍性の確認にも貢献する。
今後は、実用的な電流標準実現へ向けて、更なる高精度実証を目指した取り組みを進めていく。EUの量子電流標準プロジェクトと協力して、高精度測定系の改良で不確かさ1×10−7程度の測定を行う。また、転送した電子数を電子1個レベルの分解能を持った電荷計を用いて計測することで電流標準の目標値である1×10−8以下のエラー率へ向けた精度評価や、6.5GHzの高速動作時における精度低下の原因を探求して最高速時での高精度動作の追究などを行っていく。
