昨年、物理学者は、絶対零度 (-273°C) より 1.7°C 高い温度に冷却すると、2 層の厚さの炭素原子のシートが抵抗なしで電気を伝導し、電子がエネルギーを失うことなく物質を通過できることを報告しました。二層グラフェンとして知られる炭素の二重シートは、その構造の単純さが超伝導の複雑な物理学を探求するためのプラットフォームを提供したため、研究者を魅了してきました。現在、研究者は、簡単に作成できるグラフェンの 3 層シートで超伝導の兆候を発見しており、層状グラフェンがすぐに研究者が銅酸化物で超伝導がどのように発生するかを理解するのに役立つという希望を新たにしています。これにより、より高温の超伝導体 (さらには室温の超伝導体) につながる可能性があり、配電網やデバイスのエネルギーを大幅に節約できる可能性があります。
コロンビア大学の物理学者であるコーリー・ディーンは、「これは間違いなくエキサイティングな展開です。 Dean は、2 つのグラフェン層の原子格子が 1.1° の「魔法の」角度で互いに対してねじれている場合にのみ、2 層グラフェンが超伝導することを指摘しています。 「少しずれるとうまくいきません」とディーンは言います。対照的に、三層グラフェンはねじれている必要はありません。むしろ、各層の原子格子は上下の原子格子と整列します。これは、多層グラフェンが生成されるときに自然に発生します。
カリフォルニア州パロアルトにあるスタンフォード大学の物理学者である David Goldhaber-Gordon と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者である Feng Wang と彼らの同僚は、グラフェンのフレークを分離するための現在標準的なアプローチに従いました。それは、グラファイトの塊（ほとんどの鉛筆の「芯」）にスコッチテープを貼り付け、それを剥がすことから始まります。このプロセスを繰り返すと、グラフェンのフレークがテープにくっついたままになります。厚さは 1 枚だけのものもあれば、2 層または 3 層になっているものもあります。 Wang のチームは以前に、三層グラフェンのユニークな光学的特徴を見つける技術を開発しました。
次に、チームはこれらの三層フレークを出発材料として使用して、電気デバイスを作成しました。彼らは、三層フレークを窒化ホウ素の層の間に挟み、グラフェンを汚染物質から隔離し、座屈を防ぎました。場所によっては、窒化ホウ素層の原子がグラフェン層の炭素原子と正確に整列していますが、数ナノメートル離れています。約 10 ナノメートル後、層内の原子が再び整列し、「モアレ」の繰り返しパターンが作成されます。これは、ねじれた 2 層グラフェンでも明らかです。繰り返される各モアレ セルは、材料内の電子に加えて最大 4 つの余分な電子を保持することができ、材料の導電率を変更します。
次に、研究者はフレークの上に金属をパターン化し、材料への電子の追加を制御する「ゲート」を備えたトランジスタを構築しました。研究チームは、ゲートの電場を操作することで、繰り返される各モアレ セルに存在する電子の数を正確に制御することができました。各セルに 3 つの電子を追加し、温度を 2 ケルビン未満に下げると、超伝導の兆候である電気抵抗が急激に低下することに気付きました。これは今日 Nature で報告されています。 .彼らはまた、サンプルに外部磁場を加えると、ゼロに近い電気抵抗が消失することにも気付きました。これは、超伝導のもう 1 つの兆候です。 「これらすべてが [超伝導の] ボックスをチェックします」と Goldhaber-Gordon は言います。しかし彼は、シグナルはまだ決定的なものではないと付け加えた。 1つには、超伝導体に必要な電気抵抗が完全にゼロにならないことです。しかし、彼は、これはグラフェンフレークの不純物が原因である可能性があると指摘しています. 「デバイス内のどこでも超伝導ではないかもしれません」と彼は言います。
それでも、Goldhaber-Gordon は、3 つの余分な電子による見かけの超伝導性は、1986 年に発見された銅ベースの材料である従来の高温超伝導体で見られるものと類似していると述べています。その長年の謎を解くための良いモデルシステム。三層グラフェンは、「非常にクリーンなシステムであるため、複雑な物理を簡単に調べることができます」と彼は言います。
