東大ら,グラフェン超伝導材料の原子配列を解明

東京⼤学,早稲田大学,⽇本原⼦⼒研究開発機構,高エネルギー加速器研究機構の研究グループは,これまで未解決だった超伝導を示す炭素原子層物質グラフェンとカルシウムの2次元化合物の原⼦配列を,全反射高速陽電子回折法(トレプト法)という実験手法を用いて初めて決定した(ニュースリリース)。

物質の性質は物質の原子配列と密接な関係をもつので,なぜ超伝導が発現するかを明らかにするには,その結晶構造を正確に知る必要がある。

SiC上Ca挿入2層グラフェンにおける超伝導は応用へ大きな可能性を持つ一方で,その正確な原子配列はこれまでわかっていなかった。SiC 基板上に2枚のグラフェンをつくると,2枚のグラフェンと基板との間にバッファー層と呼ばれるグラフェンとよく似た炭素原子層がもう1枚できる。

つまり,炭素原子層が合わせて3層積層された原子配列をもつ。これまでは,上の2枚のグラフェンの層間にCa原子が挿入された原子配列が信じられていたが,それが正しいかどうかは実験で確認されていなかった。

この研究では,結晶表面にすれすれの角度で高速に入射した陽電子の回折パターンから,表面の原子配列を決定するトレプト法を用いて,SiC上Ca挿入2層グラフェンの原子配列を明らかにすることを試みた。

その結果,これまで信じられてきた原子配列とは異なり,グラフェンとバッファー層の間のみにCa原子が挿入されていることを初めて明らかにした。

研究グループでは,この試料の電気伝導度が温度によってどのように変化するかについても測定した。その結果,過去の研究と同様の超伝導を示すのは,この原子配列のSiC上Ca挿入2層グラフェンであることを明らかにした。

これらの一連の研究により,SiC上Ca挿入2層グラフェンの原子配列と物性の関係が明確になり,超伝導発現機構の詳細が議論できるようになるという。

またグラフェンを利用した新たな化合物の原子配列を解明したことで,エネルギー損失ゼロの超高速情報処理ナノデバイスなど材料開発の応用に道が開くとしている。

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