【タイトル】 東工大など、低次元超伝導体グラフェン-カルシウム化合物の新事実を発見 【ライター】 波留久泉 【関連キーワード】 東京工業大学,分子科学研究所,超伝導,低次元超伝導体,グラフェン,カルシウム,化合物,炭化ケイ素,金属 【本文】 東京工業大学(東工大)と分子科学研究所(分子研)の両者は6月5日、低次元超伝導体「グラフェン-カルシウム化合物」の原子構造を調べることで、支持基板である炭化ケイ素(SiC)との界面でカルシウム金属層が形成されることを発見したと発表した。 同成果は、東工大 理学院 物理学系の一ノ倉聖助教、同・ｺ田啓大学院生(研究当時)、同・平原徹教授、同・豊田雅之助教(研究当時)、同・斎藤晋名誉教授、分子研の田中清尚准教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国化学会が刊行するナノサイエンス/テクノロジーに関する全般を扱う学術誌「ACS Nano」に掲載された。 量子コンピュータを実現するための方式は複数あるが、最も研究開発が進んでいるのが超伝導方式で、すでに実用化されている。ただし現在はまだ小規模なレベルに留まっており、今後はその性能を量子コンピュータに求められているレベルに到達させるため、大規模化を実現すべく集積化が進められていくことになる。将来的には、ナノスケールの超伝導体を用いた素子が実用化されていくと予想されている。 素子の微細化への要請に対し、電子材料分野で注目されているのが低次元物質だ。同物質の中で最も単純な構造を持ち、化学的に安定なのが、炭素原子が1層の厚みでもって蜂の巣格子状に結合した二次元物質であるグラフェンである。柔軟性、光学的透明性、電子移動度に優れた同物質を母材として適切な化合物を合成することで、柔軟性や透明性を有する優れた二次元超伝導体を作り出すことができると考えられるという。 そうした考えのもと、2016年に東京大学と東北大学の共同研究チームが開発したのが、グラフェンとカルシウムの合成による2層グラフェンの超伝導体だ。その当時は合成方法として、リチウムからカルシウムへの置き換えを行う「元素置換法」が取られていたとする。東工大と東大の共同チームが、その元素置換の過程を調べたところ、最終的な組成ではカルシウムが支配的になることが示唆されていた。ただし、不純物としてリチウムが残留している可能性を排除できず、原子構造と超伝導特性の関係性を正確に解明することができずにいたという。そこで研究チームは今回、新たに純粋なグラフェン-カルシウム化合物を合成する手法を開発し、また同化合物を詳細に調べることにしたとする。 今回の研究では、真空中において、高い流量のカルシウム蒸気を2層グラフェンに吹き付けることにより化合物を合成。さらに、合成過程を光電子分光法より解明することに成功。その結果、カルシウムが高密度になると、2層グラフェンの間だけでなく、支持基板であるSiCとの界面にもカルシウムが侵入することが確認されたとした。 次に、電子回折法により原子構造が調べられた。すると、界面のカルシウムはSiC表面の原子と整合した配列が示されており、いわゆる「エピタキシャル成長」を起こして金属層を形成していることが判明。そして、この金属層の形成前後の超伝導特性の比較が行われた。その結果、形成によって超伝導転移温度が上昇していることがわかったとした。 また、角度分解光電子分光法と第一原理計算を用いた、転移温度上昇の背景にある物理的機構の調査も行われた。その結果、転移温度上昇には、金属層によって生じる現象の「ファン・ホーベ特異性」(物質中で、多数の電子が特定のエネルギー状態に集中する特殊な現象)が寄与していることが確かめられたとした。 今回の結果は、二次元超伝導体の開発に重要な知見をもたらすという。三次元の超伝導体を薄くして二次元化すると、多くの場合転移温度が低下してしまう。しかし、今回の研究のように支持基板との界面構造まで制御すれば、転移温度の低下を防ぐことができ、ひいては将来的に転移温度向上へとつなげることが期待されるとしている。 グラフェン-カルシウム化合物は、ありふれた元素から構成される低次元物質だ。そのため、低コストで微細な超伝導素子を生成でき、量子コンピュータの集積化と普及に貢献できるという。量子コンピュータにより複雑系の大規模・高速な計算が可能になると、カーボンニュートラルへ向けたエネルギー循環の最適化が実現するほか、原子・分子反応の直接シミュレーションにより触媒開発・創薬の効率が劇的に向上することなども期待されるとしている。 研究チームは今後、さらに微細な超伝導体を実現するため、カーボンナノチューブやフラーレンのような一次元、ゼロ次元のクラスター状物質の超伝導化に取り組んでいくとする。また炭素だけでなく、水素やホウ素(ボロン)などの他の軽元素も用いることで転移温度を大きく上昇させ、温度変化に耐性のある量子コンピュータの実現へとつなげていくとしている。 【001キャプション】 (左)界面カルシウムが超伝導転移温度に与える影響。挿図は電気抵抗測定時の試料の画像。(右)原子構造の模式図。(出所:東工大プレスリリースPDF) 【関連リリース元アドレス】 論文アブストラクト https://www.titech.ac.jp/news/2024/069386 東京工業大学 https://www.titech.ac.jp/ 分子科学研究所 https://www.ims.ac.jp/ ニュースリリース(東工大) https://www.titech.ac.jp/news/2024/069386