クリスタル・キングス

日本の2人の研究者がグラフェンのエレクトロニクスブームを加速させる宝石を世界の物理学者に供給

谷口崇史が世界最強の油圧プレスの 1 つの中心部に手を伸ばすと、鋭い金属の匂いが空気に満ちます。 この高さ 7 メートルの機械は炭素を圧縮してダイヤモンドを作ることができますが、現在はメニューにありません。 その代わりに、谷口氏と彼の同僚の渡辺賢治氏は、物理学の世界で最も望まれている宝石のいくつかを成長させるためにそれを利用しています。

過去 8 日間、2 つの鋼製アンビルが、1,500 °C 以上の温度と大気圧の最大 40,000 倍の圧力で、プレス機内で化合物の粉末混合物を粉砕してきました。 今、谷口がマシンを開けると、内部から冷却水が滴り落ちている。 彼は、滴り落ちる賞品である幅 7 センチメートルのシリンダーを引き抜き、圧力と温度を調整するのに役立っていた金属くずを取り除くためにナイフでその外層を削り始めます。 「最後のステップは料理のようなものです」と彼は道具に集中して言います。 最終的に、彼は指ぬきほどの大きさのモリブデンのカプセルを明らかにしました。 彼はそれを万力に入れ、前腕ほどの大きさのレンチでつかみます。 1回ひねるとカプセルが壊れ、余分な粉末が空中に放出されます。 カプセルの内部には、六方晶系窒化ホウ素（hBN）として知られる、きらめく透明なミリメートルサイズの結晶がまだ埋め込まれています。

世界中の材料研究室が、ここ東京郊外のつくばにある物質・材料研究機構（NIMS）の緑豊かなキャンパスにある建物、エクストリームテクノロジーラボラトリーで谷口氏と渡辺氏が作っているものを望んでいる。 過去 10 年間、日本人二人は超高純度 hBN の世界有数の製造者および供給者であり、その超高純度 hBN を数百の研究グループに無料で提供しています。

彼らは自分たちの研究の多くと報道機関のほぼすべての時間をこの仕事のために犠牲にしました。 しかしそうすることで、彼らは材料科学の中で最もエキサイティングな研究分野の1つである、グラフェン（単一原子の厚さの炭素シート）などの2D材料における電子的挙動の研究を加速させた。 これらのシステムは、量子世界で最もエキゾチックな電子効果のいくつかについての基本的な洞察を備えた物理学者を刺激し、いつか量子コンピューティングや超伝導（抵抗なしで電気が伝導する）への応用につながる可能性があります。

グラフェン自体は、粘着テープを使用して鉛筆の芯 (グラファイト) からカーボン層を剥がすことで簡単に作成できます。 しかし、この材料の複雑な電子特性を研究するには、研究者はそれを例外的な表面、つまりグラフェンの高速移動電子を妨げない完全に平らな保護支持体上に配置する必要があります。 そこで透明な下層、つまり基板として hBN が登場します。 「私たちが調査した限り、これはグラフェンやその他の 2D デバイスを収容するのに最も理想的な基板です」と、最初に研究を行ったチームの一員でニューヨーク市のコロンビア大学の凝縮物物理学者であるコリー・ディーンは言う。 hBNとグラフェンを組み合わせる方法。 「グラフェンを美しい方法で環境から保護するだけです。」

hBN のフレークがグラフェンと接触すると、粘着フィルムのように機能するため、カーボン シートを正確に引き上げて元に戻すことが可能になります。 これにより、研究者はサンドイッチのように複数の 2D 材料層を積み重ねてデバイスを作成できるようになります (「グラフェン サンドイッチ」を参照)。

例えば昨年以来、材料科学者らは、2枚のグラフェンシートの位置を正確に1.1°（「魔法の角度」）ずらすだけで、その材料が極低温で超伝導体になる可能性があるという発見を話題にしてきた。 そして7月には、ねじる必要のない3枚のグラフェンシートを重ね合わせると超伝導の兆候が見られると研究者らが報告した。 これらの研究研究は、他の何百もの研究と同様に、サンプルを保護するために谷口氏と渡辺氏の hBN の断片をすべて使用しました。 「私たちはただ関わっているだけです」と谷口氏は控えめに言う。 「それは私たちにとって一種の副産物です。」 ディーンは、このペアの hBN についてさらに熱弁をふるい、「それは本当にこのプロセスの縁の下の力持ちです」と彼は言う。 「どこにでもあるよ。」