フェムト秒レーザーとは何か――シリコン薄膜に穴を開ける最先端技術
要約：フェムト秒レーザーは「1フェムト秒＝10-15秒」という極短パルスの光を発する特殊なレーザーです。この超高速パルスにより、物質の熱拡散を抑えながら原子・分子レベルで精密加工が可能になります。従来のレーザーでは困難だった「シリコン薄膜に微細な穴を開ける」シナリオが現実の技術応用として見えてきました。
TL;DR：フェムト秒レーザーは「熱で溶かす」前に加工が終わる。だからシリコン薄膜にナノスケールの穴を正確に開けられる。
1. フェムト秒レーザーとは？
フェムト秒レーザーは極めて短い時間幅の光パルスを照射するレーザーで、代表的には「チタンサファイアレーザー」などが使われます。その特徴は：
- パルス幅が極端に短い：10-15秒単位
- 高ピーク強度：瞬間的に巨大なエネルギーを物質表面に集中
- 熱拡散を抑制：熱が広がる前に加工が完了するため、周辺に損傷を与えにくい
2. なぜシリコン薄膜に穴を開けるのにフェムト秒レーザーを使うのか
従来のナノ加工手法（ナノインプリントや電子線加工）には以下の課題がありました：
- 加工速度が遅い
- 熱による変形・欠陥が避けられない
- 大面積加工への展開が難しい
フェムト秒レーザーはこれを克服します。
- 熱影響が極小 → 周囲の結晶を壊さず穴を開けられる
- 高い再現性 → 同じ条件なら同じサイズの穴が形成可能
- 高スループット → レーザーパルスをアレイ化すれば大面積加工も視野に
3. 実用的価値：どんな応用があるのか
- 半導体微細加工：次世代トランジスタや光学デバイスの作製
- フォトニクス：シリコンフォトニクス用のナノホールアレイ形成
- バイオ応用：センサー基板やDNAチップへの加工
つまり「現実には目で見られない微細な加工」を可能にすることが、フェムト秒レーザーの実用的価値です。
4. シミュレーションでの挑戦とGPUの役割
ただし、このプロセスを「原子レベル」でシミュレーションするのは極めて難しい課題でした。従来の分子動力学や第一原理計算では計算コストが膨大で、ナノ秒スケールすら現実的に扱えませんでした。
ここで登場するのが DeepMD（機械学習ポテンシャル） と GPU サーバーです。Quantum ESPRESSO で生成したデータを DeepMD で学習し、LAMMPS 上で GPU を用いて実行することで、これまで不可能だったフェムト秒レーザー加工の「シリコン薄膜への穴あけシミュレーション」が可能になりました。
次回予告
次回の記事では、実際に Quantum ESPRESSO → DeepMD → LAMMPS を用いて「フェムト秒レーザーがシリコンに穴を開ける様子」を GPU 上で再現したシミュレーションの初成果をお見せします。ここで得られる 計算時間の実測値と H200 NVL サーバーでの短縮効果推定もあわせてご紹介予定です。
お問い合わせ・ご相談：H200 NVL GPU サーバーを用いたシミュレーション環境の設計・導入支援を承ります。フェムト秒レーザー加工などの最先端テーマも、GPU を活用することで研究スピードを飛躍的に高められます。
