グラフェンの超伝導化に成功、東北大学など：「質量ゼロ」の電子を「抵抗ゼロ」で流す

東北大学原子分子材料科学高等研究機構（AIMR）の高橋隆教授らによる研究グループは、グラフェン（黒鉛の単原子層）の超伝導化に成功した。「質量ゼロ」の電子を「抵抗ゼロ」で流すことが可能となるため、超高速超伝導ナノデバイスなどへの応用開発に弾みが付くものとみられる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

　東北大学原子分子材料科学高等研究機構（AIMR）の高橋隆教授、及び東京大学大学院理学系研究科の一ノ倉聖大学院生と長谷川修司教授の研究グループは2016年2月、グラフェン（黒鉛の単原子層）の超伝導化に成功したと発表した。「質量ゼロ」の電子を「抵抗ゼロ」で流すことが可能となることから、超高速超伝導ナノデバイスへの応用開発が加速する見通しだ。

　グラフェンは、原子１層の極薄シート状で、炭素原子が6角形の蜂の巣状に結合した構造となっている。グラフェン中の電子は、ディラックコーンと呼ばれる特殊な電子状態を形成することで「質量ゼロ」の状態となる。このことから、グラフェン中では電子の移動速度が、半導体シリコン中に比べ最低でも200倍になることが分かっている。ところが、電気抵抗がゼロとなる超伝導化をグラフィンで実現できるかどうかは、これまで十分に解明されていなかったという。

　今回、東北大学及び東京大学の研究グループは、SiC（炭化ケイ素）単結晶基板上にグラフェンを1枚ずつ制御して作製する方法を開発した。この方法で、炭素原子2層からなるグラフェン薄膜の層間に、Ca（カルシウム）原子を挿入してサンドイッチ構造とした、2層グラフェン層間化合物（C₆CaC₆）を作製した。

上部の（a）は1層グラフェン、下部の（b）はCa原子を挿入してサンドイッチ構造とした2層グラフェン層間化合物の結晶構造イメージ図 出典：東北大学他

グラフェン中の電子が形成する、ディラックコーンと呼ばれる電子状態 出典：東北大学他

　この電気抵抗を、ミクロンサイズの間隔で並べた4つの針を試料表面に接触させて電気的特性を測定する、マイクロ4指針電気伝導測定法を用いて測定した。そうしたところ、温度が4K（−269℃）付近で電気抵抗が下がり始め、2K付近になると電気抵抗がゼロを示した。研究グループは、「超伝導状態を観測したのは世界でも初めて」と主張する。

マイクロ4指針電気伝導測定のイメージ図 出典：東北大学他

2層グラフェン層間化合物における電気抵抗の温度変化。温度4K付近から電気抵抗が下がり始め、2K付近では電気抵抗がゼロを示した 出典：東北大学他

　研究グループは、層間に何も挿入しない純正2層グラフェンや、層間にLi（リチウム）を挿入したリチウム層間化合物（C₆LiC₆）なども試作して、その特性を評価／検証した。ところが、これらの構造では超伝導が発現しないことが分かった。この結果から、超伝導はCa原子からグラフェン層への電子供給により引き起こされていることを見出した。

　研究グループでは、今回の成果をベースとして、超伝導グラフェンの物理的特性の解明や、その理論的研究に取り組む。さらに、超伝導転移温度の上昇に向けて、Ca以外の金属原子や2種以上の金属との化合物作製、グラフェン積層枚数による特性変化などの研究も行っていく方針である。超伝導グラフェンの今後の展開としては、量子コンピュータへの応用などを視野に入れた超高速超伝導ナノ電子デバイスの開発などが期待されるという。