マサチューセッツ工科大学の物理学者は、鉛筆を電子的な「金」に変えます。

マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者は、5 層のグラフェンを正確な配置で積み重ねることにより、グラファイトのユニークな特性を発見しました。 この 5 層の積層グラフェンは、絶縁性、磁気性、またはトポロジカルな特性を示すことができ、革新的なナノスケール顕微鏡技術を使用した材料物理学における重要な発見を表しています。

3 つの重要な特性を発揮するように調整できる薄いフォイル絶縁体。

マサチューセッツ工科大学 物理学者は、特定の配置で積み重ねられた5つの超微細フレークを分離することによって、比喩的にグラファイト、または鉛筆を金に変えました。 得られた材料は、これまで天然グラファイトでは見られなかった 3 つの重要な特性を示すように調整できます。

「ワンストップショッピングのようなものです」と、MIT物理学科の助教授であり、同誌10月5日号に掲載された研究のリーダーであるLong Guo氏は言う。 自然ナノテクノロジー。 「自然には驚くべきことがたくさんあります。今回の場合、私たちはこれらすべての興味深いものがグラファイトの中にあるとは知りませんでした。

さらに、「これほど多くの特性を備えた材料を見つけることは非常にまれです」と彼は言います。

「ツイストロニクス」の台頭

グラファイトはからできています グラフェンそれは、蜂の巣構造に似た六角形の形に配置された炭素原子の単層です。 グラフェンは、約 20 年前に初めて単離されて以来、熱心な研究の焦点となってきました。 約5年前、マサチューセッツ工科大学（MIT）のチームを含む研究者らは、グラフェンの個々のシートを積み重ね、互いにわずかな角度でねじることで、超伝導から磁性まで、その材料に新しい特性を付与できることを発見した。 「ツイトロニクス」という分野が誕生しました。

今回の研究では、「まったくひねることなく、興味深い特性を発見しました」と同じく材料研究所に所属するGu氏は言います。

電子結合、つまり電子が互いに対話する能力の芸術的なデモンストレーション。特殊な種類のグラファイト (鉛筆) で発生する可能性があります。 画像出典: Sampson Wilcox、MIT エレクトロニクス研究所

彼と彼の同僚は、特定の順序で配置された 5 つのグラフェン層により、材料内を移動する電子が相互に通信できることを発見しました。 電子相関として知られるこの現象は、「これらすべての新しい特性を可能にする魔法です」とジョーは言います。

バルクグラファイト、さらには単一のグラフェンシートも優れた導電体ですが、それだけです。 Gu 氏らによって単離された材料は、彼らが 5 層積層グラフェンと呼んでおり、その部分の合計よりもはるかに大きくなります。

新しい顕微鏡とその発見

物質を分離する鍵は A でした 斬新な顕微鏡 2021 年の MIT のジョーは、物質のさまざまな重要な特性を迅速かつ比較的安価に決定できるようになりました。 ナノスケール。 五面体層を備えた積層グラフェンの厚さはわずか 10 億分の 1 メートルです。

Gu氏を含む科学者は、菱形スタッキングとして知られる非常に正確な配置で積み重ねられた多層グラフェンを探していました。 「5 層まで下げると、可能な積層順序は 10 以上あります。菱面体晶はそのうちの 1 つにすぎません。」ジョーが作った顕微鏡は、散乱型走査近接場光学顕微鏡 (s-SNOM) として知られています。研究者らは、菱形の積層順序に興味を持った 5 つの層だけを特定して分離することを許可しました。

多面的な物理現象

そこから研究チームは、積層五面体グラフェンの薄い「肉」を保護する窒化ホウ素の「パン」で構成される小さなサンドイッチに電極を取り付けた。 電極を使用すると、システムを異なる電圧または異なる量に調整することができました。 その結果、系に溢れる電子の数に応じて 3 つの異なる現象が現れることを発見しました。

MIT 博士研究員の Zhengguang Lu 氏、助教授 Long Ju 氏、大学院生の Tonghang Han 氏が研究室にいます。 3 人は、他の 7 人とともに、特殊なタイプのグラファイト (鉛筆の芯) に関するジャーナル Nature Nanotechnology の論文の著者です。 クレジット: GoLab

「私たちは、物質が絶縁性、磁性、またはトポロジカルである可能性があることを発見しました」と Gu 氏は言います。 後者は導体と絶縁体の両方にある程度関連しています。 ジョーは、トポロジカル材料では、材料の端の周りでは電子が妨げられずに移動できますが、中央では妨げられないことを説明します。 電子は、材料の中心を形成する媒体によって隔てられた材料の端の「高速道路」に沿って一方向に移動します。 したがって、トポロジカル材料の端は完全な導体ですが、中心は絶縁体です。

「私たちの研究は、菱形積層多層グラフェンを、トポロジー物理学と強結合物理学のこれらの新しい可能性を研究するための高度に調整可能なプラットフォームとして確立しました」とGuo氏と彼の共著者は結論付けています。 自然ナノテクノロジー。

参考文献: 「5 層積層グラフェンにおけるコヒーレント誘電体とチャーン絶縁体」、Tonghang Han、Zhenguang Lu、Giovanni Scurri、Jihu Song、Gui Wang、Tian Yi Han、Kenji渡辺、Takashi Taniguchi、Hongkun Park、および Long Ju、10 月 5 日2023年、 自然ナノテクノロジー。
土井: 10.1038/s41565-023-01520-1

この論文の著者はGu氏のほかに、Tonghang Han氏とZhenguang Lu氏である。 ハンは物理学科の大学院生です。 Lu は、材料研究所の博士研究員です。 彼らはこの論文の最初の著者です。

他の著者は、ハーバード大学の Giovanni Scurri、Jiho Song、Joy Wang、Hongkun Park です。 国立研究開発法人物質・材料研究機構の渡辺健司氏と谷口隆氏、およびマサチューセッツ工科大学物理学のTianyi Han氏。

この研究はスローンフェローシップによって支援されました。 米国国立科学財団。 研究工学担当国防次官室。 日本学術振興会科研費、 世界をリードする日本における国際研究イニシアチブ。 そして米国空軍科学研究局。