原子質量を構成するための「黄金律」

時計モデルは、時針 (上部の hBN)、分針 (中央のグラフェン)、秒針 (下部の hBN) 間の回転位置を示しています。 上部の hBN、中間のグラフェン、下部の hBn を組み合わせることで、時計の中心に超波状格子構造が形成されます。 クレジット: シンガポール国立大学

物理学者たちは、超波状格子を正確に整列させる技術を開発し、次世代の波状量子物質の可能性に革命をもたらしました。

シンガポール国立大学 (NUS) の物理学者は、一連の黄金律を使用して波状超格子の配列を正確に制御する技術を開発し、次世代の波状量子物質への道を切り開きました。

スーパーモアレクランプ

モアレ パターンは、2 つの同一の周期構造が相対的なねじれ角を持って重ね合わされた場合、または 2 つの異なる周期構造がねじれ角の有無にかかわらず重ね合わされた場合に形成されます。 ねじれ角は、2 つの構造の結晶方位の間の角度です。 たとえば、次のようなとき グラフェン 六方晶窒化ホウ素 (hBN) は互いに重なり合った層状材料であり、2 つの構造内の原子が完全に並んでいないため、モアレ パターンと呼ばれる干渉縞のパターンが形成されます。 これは電子的な再構成につながります。

グラフェンと hBN のモアレ パターンは、トポロジカル電流やホフスタッター バタフライ状態などのエキゾチックな特性を備えた新しい構造を作成するために使用されています。 2 つのモアレ パターンが積み重なると、モアレ メッシュと呼ばれる新しい構造が作成されます。 従来の単一波形材料と比較して、この超波形ネットワークは調整可能な材料特性の範囲を拡大し、より幅広い用途での使用の可能性を可能にします。

NUS大学物理学科の業績

シンガポール国立大学物理学科のアリアンド教授率いる研究チームは技術を開発し、hBN/グラフェン/hBNスーパーモアレネットワークの制御された配列を達成することに成功した。 この技術により、2 つのモアレ パターンを正確に重ねて配置することができます。 一方、研究者らは、スーパーリップルネットワークを作成するための技術の使用をガイドする「3 つの黄金律」も策定しました。

その結果は最近雑誌に掲載されました ネイチャーコミュニケーションズ。

グラフェンと六方晶窒化ホウ素 (T-hBN) の最上層および六方晶窒化ホウ素 (B-hBN) の最下層の間に形成された、ねじれた角 (θt および θb) を持つ超格子の芸術的なイラスト。 わずかなズレにより、超波状のメッシュパターンが形成されます。 クレジット: Nature Communications

課題と解決策

ウルトラリップルグラフェンネットワークの作成には、主に 3 つの課題があります。 まず、従来の光学的位置合わせはグラフェンの直線エッジに大きく依存していますが、適切なグラフェン ウェーハを見つけるには時間と労力がかかります。 第二に、直線エッジを持つグラフェンサンプルを使用した場合でも、エッジの非対称性と格子対称性の不確実性により、二重に整列したスーパーリップル格子が得られる確率は 1/8 と低くなります。 第三に、エッジ対称性とメッシュ対称性は決定できますが、2 つの異なるメッシュ素材を位置合わせするのは物理的に難しいため、位置合わせ誤差が大きくなることがよくあります (0.5° 以上)。

研究論文の主著者であるJunxiong Hu博士は次のように述べています。「私たちのテクノロジーは現実の問題の解決に役立ちます。 何人かの研究者は、サンプルを採取するのに通常は約 1 週間かかると語った。 当社の技術により、製造時間を大幅に短縮できるだけでなく、製造品質も大幅に向上させることができます。 正確さ サンプルの。」

芸術的な洞察

科学者は最初に「30度回転技術」を使用して、上部のhBN層とグラフェン層の配列を制御します。 次に、「反転技術」を使用して、上部 hBN 層と下部 hBN 層の配列を制御します。 これら 2 つの方法に基づいて、格子の対称性を制御し、グラフェン超格子のバンド構造を調整することができます。 彼らはまた、隣接するグラファイトエッジが積層位置合わせのガイドとして機能することを示しました。 この研究では、0.2 度を超える精度で 20 個のモアレ サンプルを作成しました。

アリアンド教授は次のように述べています。「私たちは、2D 材料コミュニティの多くの研究者を助けることができる、私たちのテクノロジーに関する 3 つの黄金律を確立しました。 私たちの研究は、マジックアングルねじれ二層グラフェンやABC積層多層グラフェンなど、他の強く相互接続されたシステムに取り組んでいる多くの科学者にも利益をもたらすことが期待されています。 この技術向上により、次世代の波動量子物質の開発が加速されることを期待しています。

今後の取り組み

現在、研究チームはこの技術を活用して単層スーパーリップルグラフェンネットワークを作製し、この材料系のユニークな特性を調査しています。 さらに、彼らは現在の技術を他の物理システムにも拡張し、他の新しい量子現象を発見しています。

参考文献：「二重配向グラフェンヘテロ構造における超波格子の制御」Junxiong Hu、Junyou Tan、Mohamad M. Al Ezzi、Udvas Chattopadhyay、Jian Gou、Yuntian Zheng、Zihao Wang、Jiayu Chen、Reshmi Thottathil、Jiangbo Luo、Kenji渡辺著、谷口 隆、アンドリュー ティ チェン ウェイ、シャフィク アダム、A. アリアンド、2023 年 7 月 12 日、 ネイチャーコミュニケーションズ。
土井: 10.1038/s41467-023-39893-5