グラフェンが 3D グラファイトにツイストパワーを与える

わずかに斜めになった 2 枚のグラフェン シートを互いの上に積み重ねることにより、近年、調整可能な超伝導、量子メモリ、電子の「水たまり」の塊を含む奇妙な新しい物質状態など、驚異的な物理学が実現しました。 これらのシステムの興味深い動作は、2 枚のシートの六角形パターン間の「ねじれ」角度が 1.1 度程度小さい場合に現れます。 そして、非常に多くの新しい物理学が出現する中、いわゆるねじれ二層グラフェンの技術的応用が想像され始めたばかりで、神秘的な熱、光学、電子、材料、その他の特性が開発されるのを待っているところです。

現在、米国と英国の科学者は、これらの積層された 2D システムの外側の限界を調査し始めています。これらの二重層の 2 つの層のうち 1 つだけが 1 原子の厚さだったらどうなるでしょうか。 二重層の魔法が消えるまで、バルクに何層追加できるでしょうか? これらの研究者が驚いたことに、二重層の特性の一部は、厚い三次元グラファイトスタックの内部でも持続しました。

グラファイトとグラフェンを組み合わせたもので現在見られる奇妙な挙動により、研究者は 1970 年代以来観察されてきた普通のグラファイトの奇妙な特性を再考するようになりました。

英国のマンチェスター大学の理論物理学教授、ウラジミール・ファルコ氏は、「しばらくの間、金属の中に多くの層がある場合、それが三次元であるかのように振る舞うというのが常識だった」と話す。 「これほど厚いグラファイト膜で二次元の挙動を確認できるのは非常に珍しいことです。」

薄層量子の挙動の限界を理解するために、ワシントン大学とマンチェスター大学の研究チームはそれぞれ、わずかに異なる 2 つの設定を作成しました。 ワシントン大学のグループは、厚いグラファイトのスタックの上に、わずかな角度でねじれた単一のグラフェン層を重ねました。 マンチェスター大学のチームは同様のグラファイトスタックを使用しましたが、その代わりに窒化ホウ素の二次元シート状態の単一層をその上に置きました。

どちらのアプローチでも、スタックの上部 2 層の間に同じ構造、いわゆるモアレ超格子が作成されます。 これは、2 つの層間の角度の不一致により、新しい種類のモアレのようなパターンがシステムに追加されるため、超格子と呼ばれます。 ねじれたグラフェンの最上層の場合、不一致は各シートの六角形セル間のねじれ角度から生じますが、窒化ホウ素の最上層の場合、不一致は窒化ホウ素とその下のグラファイトの格子間隔がわずかに異なることに起因します。

強い磁場にさらされると、モアレ超格子は格子間隔が大幅に増加するため、顕著な変形を受けます。 このシナリオでは、非常に大きな磁束が単一の格子プラケットを貫通する可能性があり、材料のすでに奇妙な特性がさらに変化します。 磁場が調整されると、シートの導電率が周期的に振動します。これはブラウン ザック振動として知られる現象です。

研究者らは、最上部に単一のモアレ超格子層を備えた厚いグラフェンスタックがそのような効果を示すとは予想していませんでした。 結局のところ、上記のような現象は、2D シートのペア (または小さなアレイ) を重ね合わせた場合にのみ観察されていました。 3D のグラファイトの塊はまったく新しい地形でした。 そして、研究チームには、この奇妙な量子の動作が単にシステム内で見られないのではないかと疑う十分な理由がありました。 それにもかかわらず、磁場を調整すると、研究者らはスタック全体の導電率の振動、つまり二次元モアレ材料の特徴的なブラウンザック振動を観察しました。

「18 層のグラファイトがあり、そのうちの 1 層だけを 1 度ねじったとしても、材料にそれほど大きな構造変化は生じません」と、ワシントン大学の取り組みを主導したマシュー ヤンコウィッツ氏は言います。 「しかし、たとえそれが 3 次元マテリアルであっても、グラファイト スタック全体は基本的にモアレ マテリアルのように動作します。 それは、ファンキーで新しい洞察だと思います。」