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Jan 07, 2024

研究: 超電導は「魔法」でオンとオフを切り替える

30 gennaio 2023 qui

2023 年 1 月 30 日

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マサチューセッツ工科大学ジェニファー・チュー著

MITの物理学者は、慎重にひねったり積み重ねたりすることで、「魔法の角度」グラフェンの新しくてエキゾチックな特性、つまり光のスイッチのように電気パルスでオン/オフできる超伝導性を明らかにした。

この発見は、ニューロモーフィックデバイス（人間の脳のニューロンの急速なオン/オフ発火と同様の方法で動作するように設計された電子機器）用の超高速でエネルギー効率の高い超電導トランジスタにつながる可能性がある。

マジック アングル グラフェンは、金網に似た六角形のパターンで結合した炭素原子から作られた原子ほど薄い材料であるグラフェンの非常に特殊な積層を指します。 1 枚のグラフェン シートを 2 枚目のシートの上に正確な「魔法の」角度で積み重ねると、ねじれた構造により、わずかにずれた「モアレ」パターン、つまり超格子が形成され、これにより多くの驚くべき電子的動作をサポートできます。

2018 年、MIT のパブロ・ジャリーロ・エレーロ氏と彼のグループは、マジックアングルでねじれた二層グラフェンを初めて実証しました。 彼らは、一定の連続電場を印加すると、新しい二重層構造が木材と同様に絶縁体として動作できることを示しました。 彼らが磁場を上げると、絶縁体は突然超伝導体に変化し、電子が摩擦なく流れるようになりました。

この発見は、二次元材料のねじれと層化から特定の電子特性がどのように現れるかを研究する分野である「ツイトロニクス」を生み出しました。 ジャリーロ・ヘレロ氏を含む研究者は、材料を異なる電子状態の間で切り替えるさまざまな方法など、マジックアングルグラフェンの驚くべき特性を明らかにし続けている。 これまでのところ、そのような「スイッチ」は、研究者が超伝導をオンにするために継続的に電場または磁場を印加し、それをオンにし続ける必要があるという点で、調光器のように機能していました。

今回、ジャリーロ・エレーロ氏と彼のチームは、連続的な電場ではなく、ほんの短いパルスだけで、マジックアングルグラフェンの超伝導のスイッチをオンにし、オンにし続けることができることを示した。 彼らは、その鍵は、ねじりと積み重ねの組み合わせであることを発見しました。

Nature Nanotechnologyに本日掲載された論文で、研究チームは、二次元絶縁材料である窒化ホウ素の2つのオフセット層の間にマジックアングルグラフェンを積層することにより、サンドイッチ構造の独特の配列によりグラフェンの超伝導性をオンにすることができたと報告している。そして短い電気パルスでオフになります。

「大部分の材料では、電場を取り除くと、電気状態は失われます」と、MIT のセシルおよびアイダ グリーン物理学教授であるジャリーロ・エレーロ氏は言います。 「電気的に突然オン/オフを切り替えることができる超電導材料が作られたのはこれが初めてです。これは、新世代のねじれたグラフェンベースの超電導エレクトロニクスへの道を開く可能性があります。」

MIT の共著者は、筆頭著者の Dahlia Klein、Li-Qiao Xia、David MacNeill に加え、日本の国立研究開発法人物質・材料研究機構の渡辺賢治と谷口隆志です。

2019年、スタンフォード大学のチームは、マジックアングルグラフェンを強制的に強磁性状態にできることを発見した。 強磁性体は、外部から磁場が印加されていない場合でも磁気特性を保持する材料です。

研究者らは、マジックアングルグラフェンがオンとオフを調整できる方法で強磁性特性を示す可能性があることを発見しました。 これは、グラフェンの結晶構造が窒化ホウ素層の 1 つに揃うように、グラフェン シートを 2 枚の窒化ホウ素シートの間に積層したときに起こりました。

この配置は、上部のパンとチーズの向きが揃っているチーズサンドイッチに似ていますが、下部のパンは上部のスライスに対してランダムな角度で回転しています。 この結果は MIT グループの興味をそそりました。

「両方のスライスを揃えることで、より強力な磁石を得ようとしていました」とジャリーロ・エレーロは言う。 「代わりに、まったく異なるものを見つけました。」

現在の研究では、チームは慎重に角度を付けて積み重ねた材料のサンドイッチを作製した。 サンドイッチの「チーズ」は魔法の角度のグラフェンで構成されています。2 枚のグラフェン シートで、上部が下部のシートに対して 1.1 度の「魔法の」角度でわずかに回転しています。 この構造の上に、上部のグラフェンシートと正確に位置合わせして窒化ホウ素の層を配置しました。 最後に、構造全体の下に窒化ホウ素の 2 番目の層を配置し、窒化ホウ素の最上層に対して 30 度オフセットさせました。

次に、研究チームは、ゲート電圧を印加したときのグラフェン層の電気抵抗を測定しました。 彼らは、他の研究者と同様に、ねじれた二層グラフェンが電子状態を切り替え、特定の既知の電圧で絶縁状態、伝導状態、および超伝導状態の間で変化することを発見した。

研究グループが予期していなかったのは、電圧が除去されると各電子状態がすぐに消えるのではなく持続すること、つまり双安定性として知られる特性だった。 研究者らは、特定の電圧でグラフェン層が超伝導体に変化し、この電圧を取り除いても超伝導状態を維持することを発見した。

この双安定効果は、光のスイッチを押すのと同じように、連続的な電場ではなく、短い電気パルスで超伝導をオン/オフできることを示唆しています。 何がこの切り替え可能な超伝導を可能にするのかは明らかではないが、研究者らはそれがシステムの強誘電体のような応答を可能にする両方の窒化ホウ素層に対するねじれたグラフェンの特別な配列と関係があるのではないかと考えている。 (強誘電体材料は電気特性において双安定性を示します。)

「積層に注意を払うことで、マジックアングル超電導デバイスのますます複雑化するチューニングノブをさらに追加できる可能性があります」とクライン氏は言う。

今のところ研究チームは、新しい超電導スイッチを、研究者がより高速で小型、よりエネルギー効率の高いエレクトロニクスのための材料を開発する際に検討できるもう一つのツールとみている。

「人々は、脳にヒントを得た方法で計算を行う電子デバイスを作ろうとしています」とジャリーロ・エレーロ氏は言う。 「脳には、特定のしきい値を超えると発火するニューロンがあります。同様に、マジックアングルグラフェンが特定のしきい値を超えると超伝導状態に突然切り替わる方法を発見しました。これはニューロモーフィックコンピューティングを実現するための重要な特性です」 。」

詳しくは： Dahlia Klein、双安定モアレ超伝導体の電気スイッチング、Nature Nanotechnology (2023)。 DOI: 10.1038/s41565-022-01314-x。 www.nature.com/articles/s41565-022-01314-x

雑誌情報:自然ナノテクノロジー

マサチューセッツ工科大学提供

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