ヘルベルト・クレーマー：不可能なデバイスを設計した物理学者

1963年、パロアルトのバリアン・アソシエイツ (Varian Associates) に勤務していたヘルベルト・クレーマーは、異なる半導体をサンドイッチ状に重ねたレーザーを提案した。当時は誰もそれを製造できなかった。必要な結晶成長技術が存在せず、その後数年間は実現不可能だったからだ。それでも彼はそれを提案した。60年後、ダブルヘテロ構造レーザーは光ファイバーネットワークやCDプレーヤーの光源となり、カリフォルニア大学サンタバーバラ校 (UCSB) の同僚ジョン・バワーズ (John Bowers) が述べたように、「インターネットを可能にし、世界を変えた」デバイスとなった。

ワイマールからゲッティンゲンへ

1928年8月25日、ワイマールで生まれた。家庭には学問の伝統は全くなかった。父は公務員、母は専業主婦で、両親とも高校を卒業していなかった。彼の青年期にドイツは崩壊したが、彼はそこから物理学の道へ進んだ。ゲッティンゲン大学で1951年にディプロマ、1952年に理論物理学の博士号を取得した。博士論文のテーマはトランジスタにおけるホットエレクトロン効果で、1947年に発表されたばかりのトランジスタという、当時わずか5年しか経っていない技術を選んだ。これは、技術が確立される前にその技術に関わるという、彼の生涯にわたる習慣の最初の兆候であった。

産業界での落ち着きのない10年

クレーマーの20代と30代は、2つの大陸の産業研究所を転々とする日々だった。一見バラバラに見えるが、彼は一貫して同じアイデアに取り組んでいた。1952年、ダルムシュタットのドイツ郵便局の電気通信研究所でキャリアを開始。1950年代半ばにはニュージャージー州プリンストンのRCA研究所へ移った。1957年から1959年まではハンブルクのフィリップス研究所に在籍。1959年にはパロアルトのバリアン・アソシエイツに移り、そこで最も重要な業績を生み出した10年間を過ごした。

その過程で、彼はドリフトトランジスタを発明した。これは、不純物プロファイルを傾斜させることで、拡散のみの場合よりも速くキャリアをベース全体に押し出すデバイスだった。これは、彼がキャリアを通じて追求することになるアイデアの始まりであった。つまり、半導体の内部構造を設計することで、自然界にはない方法で電子を振る舞わせることができるという考えである。

2つの材料を必要としたトランジスタ

RCA時代、クレーマーはヘテロ構造バイポーラトランジスタの概念を構築した。従来の半導体デバイスは、領域ごとにドープの異なる単一の材料（シリコン）で作られていた。クレーマーの提案は、2つの「異なる」半導体を接合し、界面でのバンドギャップの急激な変化そのものをキャリアに対する力として利用するというものだった。これは外部電圧を必要としない準電場である。1950年代半ば、彼はこれがもたらす具体的な性能上の利点を特定した。理論的には完璧だったが、実用化には早すぎた。異種結晶間に原子レベルで鋭い接合を作るための材料科学は、まだ数十年先の話だった。

誰も作れなかったレーザー

1963年のダブルヘテロ構造の提案は、同じ論理を光に応用したものだった。キャリアと光子の両方を、より広いバンドギャップを持つ2つのクラッド層の間の薄い活性層に閉じ込めれば、極低温のパルスではなく、室温で連続動作するレーザーが得られるとクレーマーは主張した。これが半導体レーザーを実験室の珍品から実用的なデバイスへと変えた設計原理である。レニングラードで独自に研究していたジョレス・アルフェロフ (Zhores Alferov) も同じ領域を追求しており、2000年、二人は「高速・光エレクトロニクスに使用される半導体ヘテロ構造の開発」によりノーベル物理学賞を共同受賞した。

1964年、クレーマーはガン効果 (Gunn effect) の最初の正しい説明を発表した。これは特定の半導体における高周波電気振動のメカニズムであり、分野がその問いに合意する前に物理学に到達したもう一つの例である。

サンタバーバラと化合物への賭け

1968年にコロラド大学ボルダー校の電気工学教授として学界に入り、1976年にカリフォルニア大学サンタバーバラ校 (UCSB) へ移籍。そこでドナルド・W・ウィッティア電気工学講座を担当し、材料科学も兼任した。そこで彼は、科学的な賭けと同様に反主流的な組織的な賭けに出た。すべてを支配していたシリコンではなく、ヒ化ガリウムとその関連化合物といった化合物半導体に投資するよう学部を説得したのである。彼は世界をリードするグループの最初のメンバーとなった。また、遅咲きの実験家としてUCSBで分子線エピタキシーの先駆者となり、誰も試したことのない材料システムに応用し、1950年代の理論が想定していた原子レベルで精密な界面を構築した。2012年に退職。

教師、教科書執筆者、紳士

クレーマーは非常に明快な2冊の教科書を執筆した。1980年にチャールズ・キッテル (Charles Kittel) と共同執筆した『熱物理学 (Thermal Physics)』と、『工学・材料科学・応用物理学のための量子力学 (Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics)』である。同僚たちは、鋭いユーモアのセンスを持ち、小学生の訪問者とも大学院生と同じように物理学について語り、セミナーでは答えが審判のように感じられないような難しい質問をする人物として彼を記憶している。学部長のウメッシュ・ミシュラ (Umesh Mishra) は、彼をインド的な意味での「グル」に例えた。技術的な内容とともに「道徳、倫理、リーダーシップ、優雅さ、寛大さ」を伝える人物である。中村修二は、自身の青色LED発明を可能にしたのはクレーマーのヘテロ構造の概念であると評価した。クレーマーは2003年に米国市民権を取得し、率直な無神論者であった。宗教とは「単なる願望的思考」であると語っていた。

なぜヘルベルトは天才と呼ばれるのか

ここでの際立った能力は、先見的なデバイス物理学である。まだ製造できない構造の振る舞いについて正しく推論し、他の全員が証拠を待っている間に20年間その推論を信じ続ける能力である。クレーマー自身、偽りの謙遜も天才ぶることもなく、その気質をこう説明した。「最初から、人々ができることの数世代先を行くものに興味があった。小さなステップには興味がなかった。大きなステップに興味があった」。若手同僚へのアドバイスもそれに従うものだった。「興味のあることに取り組め、応用は無視しろ、日和見主義であれ」。

記録が実際に裏付けているのは、生の処理能力ではなく判断力である。ヘテロ接合トランジスタ、ダブルヘテロ構造レーザー、ガン効果という3つの事例で、彼はコミュニティや技術が追いつく何年も前に正しい物理的原理を特定した。これは稀な的中率であり、ノーベル委員会、2002年のIEEEメダル・オブ・オナー審査員、そしてドイツ政府が功労勲章大十字章を授与した理由である。

反論も誠実であり、述べる価値がある。クレーマーは彼が有名であるレーザーを実際に作ったわけではない。アルフェロフのグループと産業研究所が結晶成長を行い、それを現実のものにした。アルフェロフが賞を分かち合ったのには十分な理由がある。20年間テストできないアイデアは、生み出すのは安く、検証するのは高い。クレーマーの記録には、他人が実現する忍耐力を持っていたからこそ重要になった提案も含まれている。同僚たちは「天才」よりも「紳士」や「グル」という言葉をよく使った。公平な評価は、彼が並外れて信頼できる物理的直感と、それを早期に発表する勇気を持っていたということである。

遺産

すべての光ファイバーリンク、携帯電話のパワーアンプ、衛星送信機、LED電球は、誰も実装できなかった時にクレーマーが主張した原理で動いている。つまり、デバイス内のバンドギャップの景観を設計することは、単一の材料を中心にデバイスを設計することよりも強力であるということだ。彼は2024年3月8日、サンタバーバラで95歳で亡くなった。自分のサンドイッチから世界が作られるのを見るのに十分な長生きをした。