曹元は新たな大きな進歩を遂げ、2つの成果を連続して発表し、4層の「魔法の角度」ねじれグラフェンが誕生しました。

[モバイルソフトウェア：BoKeYuan] グラフェンは、六角形のハニカムパターンで接続された炭素原子の単層で構成されています。シンプルな構造で、とても繊細に見えます。 2004年に発見されて以来、科学者たちはグラフェンが実は非常に強力であることを発見しました。グラフェンは金属ではありませんが、その超高電気伝導性はほとんどの金属よりも優れています。 2018年、中国の学者でMITの博士課程の学生である曹元（曹元の名前は皆さんすでにご存知だと思いますので、ここではボケガーデンでは繰り返さず、新しい研究結果に焦点を当てます）とパブロ・ジャリロ・ヘレロが率いるMITの科学者たちは、次のことを発見しました。

2 枚のグラフェンをわずかにずらした「マジック アングル」で積み重ねると、この新しい「ねじれた」二重層グラフェン構造は、絶縁体になって電気が完全に通過するのを遮断したり、超伝導体になって電子が抵抗なく流れるようにしたりすることができます。これは画期的な発見であり、ねじれた二層グラフェンやその他の材料における電子の挙動を研究する「ツイストロニクス」と呼ばれる新しい分野の開拓にも貢献した。現在、MITのユアン・カオ氏を含む科学者らは、グラフェン双方向エレクトロニクスにおける最新のブレークスルーと進歩を報告した2つの新しい研究論文をネイチャー誌に発表した。

Cao Yuan らによる最初の研究

ユアン・カオ氏を含むMITの研究者らは、ワイツマン科学研究所の協力者と共同で、構造全体の局所的なねじれ角度のわずかな変化を観察できるほどの解像度で、ねじれたグラフェン構造全体を初めて画像化し、マッピングした。結果は、構造内でグラフェン層間の「魔法角」が平均領域からわずかに 1.1 度ずれていることを示しました。研究チームは、これらの変化を0.002度という超高角度分解能で検出した。これは、1マイル離れたところから地平線に対するリンゴの角度を観察できるのと同等である。

研究では、ねじれ角度の範囲が広い構造と比較して、角度変化の範囲が狭い構造の方が、絶縁性や超伝導性など、より顕著な特異な特性を示すことがわかった。 「デバイスの特定の領域におけるねじれ角度を理解するために、デバイス全体をマッピングしたのはこれが初めてです」と、MITの物理学のセシル・アンド・アイダ・グリーン教授であるジャリロ・ヘレロ氏は言う。 「我々は、少しの変化でも超伝導やその他の珍しい物理現象を示すことができるが、変化が大きすぎることはないことを発見した。そして今、どの程度のねじれの変化が可能か、変化が大きすぎるとどのような縮退効果が生じるかを明らかにした。」

Cao Yuan らによる 2 番目の研究

曹元氏を含む研究者らは、2層ではなく4層のグラフェンを使用した新しいねじれグラフェン構造を作成した。研究では、新しい4層の「マジックアングル」構造は、従来の2層のものよりも特定の電界と磁界に対してより敏感であることが観察された。これは、研究者が 4 層システムにおける「マジックアングル」グラフェンの特殊な特性をより容易かつ制御可能に研究できることを示唆しています。中国の学者でMITの博士課程の学生である曹元氏は次のように語った。「これら2つの研究の目的は、「魔法の角度」の二重電子デバイスの不可解な物理的動作をより深く理解することです。」

物理学者たちは、これらのデバイスが理解されれば、新世代の高温超伝導体、量子情報処理用のトポロジカルデバイス、低エネルギー技術の設計とエンジニアリングに役立つ可能性があると考えています。曹元氏と彼のチームが初めて魔法角グラフェンを発見して以来、科学者たちはその特性を観察し測定するチャンスに飛びついてきた。いくつかの研究グループは、原子レベルで表面を走査する技術である走査トンネル顕微鏡（STM）を使用して、グラフェンの「マジックアングル」構造を画像化した。

ラップのしわのように

しかし、この方法を使用すると、研究者は「マジックアングル」グラフェンのせいぜい数百平方ナノメートルの小さな領域しかスキャンできなかった。 「マイクロメートル規模の構造全体を使って何百万もの原子を観察するのは、走査型トンネル顕微鏡に最も適した方法ではない」と、カオ氏のMITの共著者であるパブロ・ジャリロ・エレロ氏は述べた。 「理論的には可能ですが、時間がかかります。」そこでMITチームは、ワイツマン科学研究所の研究者らに相談した。同研究所は「スキャニングナノSQUID」と呼ばれるスキャン技術を開発した。SQUIDは超伝導量子干渉装置の略である。

従来の超伝導量子干渉装置は、小さな二等分リングに似ており、その 2 つの半分は超伝導材料で作られ、2 つの接合部によって接続されています。 SQUID は走査トンネル顕微鏡 (STM) に似た装置の先端に取り付けられ、リングサンプルを流れる磁場を顕微鏡レベルで測定できますが、ワイツマン研究所の研究者は SQUID の設計を縮小して、ナノスケールで磁場を感知できるようにしました。 「マジックアングル」グラフェンを小さな磁場内に置くと、いわゆる「ランダウ準位」の形成により、構造内に永続的な電流が発生します。

たとえば、これらのランダウ準位と永久電流は局所的なねじれ角に非常に敏感であり、局所的なねじれ角の正確な値に応じて異なる大きさの磁場が生じます。このようにして、ナノ SQUID 技術は 1.1 度という小さなシフトを持つ領域を検出することができます。 「これは、1.1度から0.002度未満の小さな角度変化を捉えることができる驚くべき技術であることが判明しました。これは、『魔法の角度』グラフェンのマッピングに最適です」と、カオ氏のMITの共著者であるパブロ・ジャリロ・エレロ氏は述べた。研究チームはこの技術を使用して、ねじれの変化の範囲が狭いものと広いものの 2 種類の「マジック アングル」構造をマッピングしました。

この研究では、ラップフィルムの上にラップフィルムを重ねるのと同じように、グラフェンのシートを 1 枚ずつ重ねて配置しており、シワができることが予想される。2 つの層のうちいくつかは少しねじれ、いくつかはそれほどねじれていない。研究者がグラフェンで観察したものと同じである。研究では、ねじれのバリエーションが多い構造と比較して、ねじれのバリエーションの範囲が狭い構造の方が、超伝導などのより顕著な異常な物理的特性を示すことがわかった。 「今では、こうした局所的なねじれの変化を直接観察できるようになったので、デバイス内で異なる量子位相を実現するためにねじれ角の変化をどのように設計するかを研究するのは興味深いだろう」と、中国の学者でMITの博士課程の学生であるユアン・カオ氏は語った。

調整可能な物理

過去2年間、カオ氏と他の研究者は、グラフェンと他の材料のさまざまな組み合わせで実験を行い、特定の角度でねじると奇妙な物理的挙動が生じるかどうか、また、構造を拡張して2層ではなく4層のグラフェンを相殺した場合に「マジックアングル」グラフェンの魅力的な物理的性質が維持されるかどうかを確認してきました。グラフェンが発見されてから約 15 年が経ち、薄膜としての特性だけでなく、複数の層に積み重ねて配置した場合 (つまり、グラファイトや鉛筆の芯に見られる構造に似た構造) の特性についても多くの情報が明らかになりました。

二層グラフェン（互いに 0 度の角度をなす 2 つの層）は、その特性が現在では研究者によって十分に理解されているシステムであり、理論計算により、2 つの層が重なり合った構造では、はるかに広い角度範囲で興味深い物理現象が発生することが示されています。したがって、このタイプの構造は、デバイスの製造という点ではより適している可能性があります。この理論的可能性に一部ヒントを得て、研究者たちは、一方のグラフェン二重層をもう一方のグラフェン二重層から 1.1 度ずらすことで、新しいマジックアングル構造を作製しました。次に、この新しい「二重層」ねじれ構造をバッテリーに接続し、電圧を印加し、磁場や垂直電場などのさまざまな条件の下に構造を置いたときに流れる電流を測定しました。

2 層のグラフェンで作られた「マジック アングル」構造と同様に、この新しい 4 層グラフェン構造は、特異な絶縁挙動を示します。しかしユニークなことに、研究者たちは電界を使ってこの絶縁性を上下に調整することができ、これは二重層マジックアングルグラフェンでは不可能なことである。中国の学者でMITの博士課程の学生である曹元氏は次のように語った。「このシステムは高度に調整可能であり、つまり多くの「制御」が可能であり、これによって「魔法の角度」のグラフェンの単層では理解できない事柄を研究できるようになるだろう。」この分野はまだ初期段階であり、今のところ物理学界はこの現象に魅了され続けています。

ボコパーク |研究/出典：マサチューセッツ工科大学