2018 年、マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者グループが、見事な材料科学の手品を成功させました。彼らは、グラフェンの 2 枚の微細なカード (1 原子の厚さの炭素のシート) を積み重ね、1 枚を非常にわずかにねじった。電場を加えると、スタックは導体から絶縁体に変化し、突然超伝導体に変化しました。これは、摩擦なく電気を伝導する材料です。数十の研究室が、化学的に異なる材料を融合する手間をかけずに新しい電子デバイスを思い起こさせることを望んで、「ツイストロニクス」という新たに生まれた分野に飛び込みました.
先駆的な MIT グループを含む 2 つのグループは、現在、ツイスト グラフェンを多くの量子コンピューターで使用されているような超伝導スイッチなどの動作デバイスに変えることで、その約束を果たしています。この研究は、個々の電子と光子を捕捉して制御できる基礎科学ツールへとすでに成熟しつつあるこの材料にとって重要なステップを示しています。コロンビア大学の凝縮物質物理学者で、2018 年の発表後、材料の超伝導特性を最初に確認した研究室の 1 つであるコーリー ディーンは、現在、新しい電子デバイスの基礎としての有望性を示していると述べています。 「このプラットフォームを普遍的な素材として使用できるという考えは空想ではありません」と彼は言います。 「それは事実になりつつあります。」
ねじれグラフェンのカメレオンのような性質の背後にある秘密は、いわゆる「魔法の角度」にあります。研究者がシートを正確に 1.1° 回転させると、ねじれによって大規模な「モアレ」パターンが作成されます。これは、2 つのグリッドを並べたときに見られる暗いバンドに相当する原子スケールのものです。何千もの原子を一緒にすることで、モアレはそれらが超原子のように一斉に作用することを可能にします。この集団的挙動により、電場によって適切な場所に導かれた少数の電子が、絶縁体から導体、超伝導体へと材料の挙動を根本的に変化させることができます。また、スーパーセルとの相互作用により、電子の速度が低下し、互いの存在を感じるようになります。これにより、超伝導の要件であるペア オフが容易になります。
現在、研究者は、さまざまな領域をさまざまな電界にさらす金属「ゲート」のパターンを叩くことによって、シートの小さな領域に望ましい特性をダイヤルできることを示しています。両グループは、ジョセフソン接合として知られるデバイスを構築しました。このデバイスでは、2 つの超伝導体が非超伝導材料の薄い層に隣接し、超伝導の流れを制御するためのバルブが作成されます。 ETH チューリッヒの物理学者であり、10 月 30 日にプレプリント サーバー arXiv に投稿された研究の共著者である Klaus Ensslin は、次のように述べています。従来のジョセフソン接合は、脳内の電気活動を監視するための磁気デバイスや超高感度磁力計に見られる超伝導エレクトロニクスの主力として機能します。
MIT のグループはさらに進んで、ジョセフソン接合を他の超顕微鏡的ガジェットに電気的に変換し、「概念実証として、これがいかに用途が広いかを示すために」と、研究室のリーダーである Pablo Jarillo-Herrero は述べています。炭素を導体 - 絶縁体 - 超伝導体の構成に調整することで、電子対がどれだけ緊密に結合しているかを測定することができました。これは、その超伝導性の性質と、他の材料との比較に関する初期の手がかりですチームはまた、単一電子の動きを制御できるトランジスタも構築しました。研究者は、回路を縮小し、エネルギーへの渇望を軽減する方法として、そのような単一電子スイッチを研究してきました.
マジック アングル グラフェン デバイスがすぐに消費者向けシリコン エレクトロニクスに挑戦する可能性は低いでしょう。グラフェン自体は簡単に作ることができます。そのシートはグラファイトのブロックからスコッチテープだけで剥がすことができます。しかし、デバイスが超電導になる前に、デバイスをほぼ絶対零度まで冷却する必要があります。また、シートがしわになりやすく、魔法の角度が乱れるため、正確なねじれを維持するのは厄介です.幅がわずか 1 ～ 2 ミクロンであっても、滑らかにねじれたシートを確実に作成することは依然として課題であり、研究者は大量生産への明確な道筋をまだ見ていません。 「本当に複雑なデバイスを作りたいのなら、何十万もの [グラフェン基板] を作成する必要がありますが、その技術は存在しません。」
それにもかかわらず、多くの研究者は、化学の制約を心配することなく電子デバイスを探索できる可能性に興奮しています。材料科学者は通常、適切な原子特性を持つ物質を見つけて融合させる必要があります。そして、調合が終了しても、さまざまな要素が思いどおりに噛み合わない場合があります。
対照的に、マジック アングル グラフェンでは、すべての原子が炭素であり、異なる材料間の乱雑な境界が排除されます。また、科学者は、ボタンを押すだけで、特定のパッチの電子的動作を変更できます。これらの利点により、材料に対する前例のない制御が可能になるとエンスリンは言います。 「これで、ピアノのように演奏できます。」
その制御により、量子コンピューターが簡素化される可能性があります。 Google と IBM によって開発されているものは、製造中に固定される特性を持つジョセフソン接合に依存しています。扱いにくい量子ビットを操作するには、ジャンクションを面倒な方法でまとめて操作する必要があります。ただし、ツイスト グラフェンを使用すると、量子ビットは、より小さく制御しやすい単一接合から生成される可能性があります。
ハーバード大学の物理学者で、Raytheon BBN Technologies の量子コンピューティング チームのメンバーである Kin Chung Fong は、この材料の別の潜在的な用途に熱心です。 4 月、彼と彼の同僚は、遠赤外線の単一光子を検出できるツイスト グラフェン デバイスを提案しました。これは、初期宇宙のかすかな光を探る天文学者にとって役立つ可能性があります。彼らの現在のセンサーは、スペクトルの目に見える部分またはほとんど目に見えない部分でのみ孤立光子を検出できます。
ツイストロニクスの分野はまだ始まったばかりであり、グラフェンの微細な斑点を魔法の位置にねじる手間のかかるプロセスには、いまだに手先の巧妙さ、または少なくとも巧妙なラボ作業が必要です。しかし、ねじれグラフェンが産業用電子機器に採用されるかどうかに関係なく、すでに材料科学の世界を大きく変えていると、ニューブランズウィック州ラトガース大学の凝縮物質物理学者である Eva Andrei は述べています。
「本当に新しい時代です」と彼女は言います。 「これは、化学を使わずに材料を作る全く新しい方法です。」
