国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科の乗松 航 准教授らの研究グループは、佐藤 京樹 博士前期課程学生（研究当時。現在ローム株式会社社員）、シンクロトロン光研究センターの伊藤 孝寛 准教授、マサチューセッツ工科大学（アメリカ）のジーワン　キム 准教授、関西学院大学の若林 克法 教授、日比野 浩樹 教授らとの共同研究で、従来の数千倍である3 x 5 mm²以上の面積を持つツイスト2層グラフェン^注1）を作製し、フラットバンド^注2）の直接観察に成功しました。
2層のグラフェンをわずかに回転させて積層した、ツイスト2層グラフェン（TBG）において、魔法角と呼ばれる1.1度のTBGでは、超伝導が発現することが知られています。これまでは、グラファイトの機械的剥離による数十μm程度の大きさの試料しか得られませんでしたが、本研究では、SiC熱分解法^注3）によって作製した5 x 5 mm²のグラフェンを転写することによって、ミリメートルスケールの魔法角TBGを作製することに世界で初めて成功しました。さらに、角度分解光電子分光^注4）によって魔法角TBGの測定を行ったところ、超伝導の起源と考えられるフラットバンドを直接観察することにも成功しました。
本研究成果により、ミリメートルスケールのTBG試料を用いて、これまでできなかった計測手法で実験を行うことができるようになり、超伝導の起源の解明や転移温度向上、ツイストロニクス^注5）の実現にもつながると期待されます。
本研究成果は、2021年12月14日付でイギリスNature Research Groupの「Communications Materials」誌オンライン版に掲載されました。
本研究は、文部科学省科学研究費基盤研究Bをはじめとする支援のもとで行われたものです。

【ポイント】

・3 x 5 mm²以上の面積を持つツイスト2層グラフェンの作製に成功した。
・ミリメートルスケールの魔法角ツイスト2層グラフェンにおいて、超伝導の起源とされるフラットバンドの直接観察に成功した。

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【用語説明】

注1）ツイスト2層グラフェン：
2層のグラフェンを、わずかに回転させて積層した物質。魔法角と呼ばれる1.1°のツイスト2層グラフェンでは超伝導が生じる。

注2）フラットバンド：
魔法角ツイスト2層グラフェンにおいて、2層分のグラフェンのエネルギーバンドが干渉することによって生じる平坦なバンド。フラットバンドにより状態密度が極めて大きくなることが超伝導の起源の一つとされる。

注3）SiC熱分解法：
SiCを加熱することでSiを除去し、残った炭素によってグラフェンを形成する手法。基板と同じサイズの単一方位グラフェンを絶縁性基板上に形成できる。

注4）角度分解光電子分光：
試料表面のエネルギーバンド構造を直接観察することができる手法。

注5）ツイストロニクス：
グラフェンだけではなく、様々な2次元物質を回転させて積層することで、新しい物性や機能を得る技術。

【論文情報】

雑誌名：Communications Materials
論文タイトル：Observation of a flat band and bandgap in millimeter-scale twisted bilayer graphene
著者：Keiju Sato （当時名古屋大学大学院生、現ローム株式会社）, Naoki Hayashi（当時名古屋大学大学院生）, Takahiro Ito（名古屋大学准教授）, Noriyuki Masago（ローム株式会社）, Makoto Takamura（ローム株式会社）, Mitsuru Morimoto (ローム株式会社), Takuji Maekawa（ローム株式会社）, Doyoon Lee（マサチューセッツ工科大学）, Kuan Qiao (マサチューセッツ工科大学), Jeehwan Kim （マサチューセッツ工科大学）, Keisuke Nakagahara（関西学院大学大学院生）, Katsunori Wakabayashi（関西学院大学教授）, Hiroki Hibino（関西学院大学教授）, Wataru Norimatsu（名古屋大学准教授）
DOI：10.1038/s43246-021-00221-3
URL：https://www.nature.com/articles/s43246-021-00221-3

【研究代表者】

大学院工学研究科　乗松 航　准教授
https://www.material.nagoya-u.ac.jp/norimatsu/