グラフェンの超伝導化に成功、東北大学など

グラフェンの超伝導化に成功、東北大学など

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上部の(a)は1層グラフェン、下部の(b)はCa原子を挿入してサンドイッチ構造とした
2層グラフェン層間化合物の結晶構造イメージ図 出典:東北大学他

東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の高橋隆教授、及び東京大学大学院理学系研究科の
一ノ倉聖大学院生と長谷川修司教授の研究グループは2016年2月、グラフェン(黒鉛の単原子層)の
超伝導化に成功したと発表しています。
「質量ゼロ」の電子を「抵抗ゼロ」で流すことが可能となることから、
超高速超伝導ナノデバイスへの応用開発が加速する見通しです。


グラフェンは、原子1層の極薄シート状で、炭素原子が6角形の蜂の巣状に結合した構造となっています。
グラフェン中の電子は、ディラックコーンと呼ばれる特殊な電子状態を形成することで「質量ゼロ」の状態となります。
このことから、グラフェン中では電子の移動速度が、半導体シリコン中に比べ
最低でも200倍になることが分かっています。
ところが、電気抵抗がゼロとなる超伝導化をグラフィンで実現できるかどうかは、
これまで十分に解明されていなかったとのこと。

今回、東北大学及び東京大学の研究グループは、SiC(炭化ケイ素)単結晶基板上に
グラフェンを1枚ずつ制御して作製する方法を開発しています。
この方法で、炭素原子2層からなるグラフェン薄膜の層間に、Ca(カルシウム)原子を挿入して
サンドイッチ構造とした、2層グラフェン層間化合物(C6CaC6)を作製しています。

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グラフェン中の電子が形成する、ディラックコーンと呼ばれる電子状態 出典:東北大学他

この電気抵抗を、ミクロンサイズの間隔で並べた4つの針を試料表面に接触させて電気的特性を測定する、
マイクロ4指針電気伝導測定法を用いて測定しています。
そうしたところ、温度が4K(-269℃)付近で電気抵抗が下がり始め、
2K付近になると電気抵抗がゼロを示したとのこと。
研究グループは、「超伝導状態を観測したのは世界でも初めて」と主張しています。

Tohoku-univ_graphene_micro4plove_image1.jpg
マイクロ4指針電気伝導測定のイメージ図 出典:東北大学他

Tohoku-univ_graphene_thermal_eletroconductivity_image1.jpg
2層グラフェン層間化合物における電気抵抗の温度変化。
温度4K付近から電気抵抗が下がり始め、2K付近では電気抵抗がゼロを示した 出典:東北大学他

研究グループは、層間に何も挿入しない純正2層グラフェンや、層間にLi(リチウム)を挿入した
リチウム層間化合物(C6LiC6)なども試作して、その特性を評価/検証しています。
ところが、これらの構造では超伝導が発現しないことが分かったとのこと。
この結果から、超伝導はCa原子からグラフェン層への電子供給により引き起こされていることを見出しています。

研究グループでは、今回の成果をベースとして、超伝導グラフェンの物理的特性の解明や、
その理論的研究に取り組むとしています。
さらに、超伝導転移温度の上昇に向けて、Ca以外の金属原子や2種以上の金属との化合物作製、
グラフェン積層枚数による特性変化などの研究も行っていく方針です。
超伝導グラフェンの今後の展開としては、量子コンピュータへの応用などを視野に入れた
超高速超伝導ナノ電子デバイスの開発などが期待されるとのこと。


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