2022-12-22 ジョージア工科大学
ジョージア工科大学物理学部のDe Heer教授とその共同研究者たちは、炭素原子の一枚板であるグラフェンをベースにした新しいナノエレクトロニクスプラットフォームを開発した。Nature Communications』誌に掲載された研究では、新しい準粒子が発見された可能性もある。この発見は、より小型で高速、効率的で持続可能なコンピューターチップの製造につながる可能性があり、量子コンピューターや高性能コンピューターにも影響を与える可能性がある。
2001年、De Heerは、エピタキシャルグラフェン（エピグラフェン）に基づく代替エレクトロニクスを提案した。エピグラフェンは、高出力エレクトロニクスに使用される半導体である炭化ケイ素結晶の上に、グラフェンの層を自然に形成することが発見された。当時、研究者たちは、エピグラフェンの端に沿って電流が抵抗なく流れること、グラフェンデバイスを金属配線なしでシームレスに相互接続できることを発見した。この組み合わせにより、グラフェン電子がもつ光のような特異な性質を利用したエレクトロニクスが可能になった。
新しいナノエレクトロニクスプラットフォームを構築するために、研究者らは、炭化ケイ素結晶基板上に改良型エピグラフェンを作製した。電子ビームリソグラフィーを用いて、グラフェンナノ構造を彫り、そのエッジを炭化ケイ素製チップに溶接した。このプロセスにより、グラフェンのエッジが機械的に安定化し、密閉される。
グラフェンの電子物性を測定するため、極低温装置を用いて、ゼロに近い温度から室温まで、グラフェンの特性を記録した。
研究チームがグラフェンのエッジ状態で観測した電荷は、光ファイバー中の光子に類似しており、散乱することなく長距離を移動することができる。電荷は散乱する前に、エッジに沿って何万ナノメートルも移動することがわかった。従来の技術では、グラフェンの電子は10ナノメートル程度しか移動できないが、小さな欠陥にぶつかると、さまざまな方向に散乱してしまう。
金属では、電流はマイナスに帯電した電子によって運ばれる。しかし、研究者たちの予想に反して、今回の測定では、端の電流は電子や正孔（電子が存在しないことを示す正の準粒子の用語）によっても運ばれないことが示唆された。むしろ、電荷もエネルギーも持たず、抵抗なく動く非常に珍しい準粒子によって電流が運ばれていたのだ。ハイブリッド準粒子の構成要素は、1つの物体であるにもかかわらず、グラフェンの端の反対側を移動することが観測された。
＜関連情報＞
- https://research.gatech.edu/edge-graphene-based-electronics
- https://www.nature.com/articles/s41467-022-34369-4
ゼロエネルギー・エッジ状態ナノエレクトロニクスのためのエピタキシャルグラフェンプラットフォーム An epitaxial graphene platform for zero-energy edge state nanoelectronics
Vladimir S. Prudkovskiy,Yiran Hu,Kaimin Zhang,Yue Hu,Peixuan Ji,Grant Nunn,Jian Zhao,Chenqian Shi,Antonio Tejeda,David Wander,Alessandro De Cecco,Clemens B. Winkelmann,Yuxuan Jiang,Tianhao Zhao,Katsunori Wakabayashi,Zhigang Jiang,Lei Ma,Claire Berger & Walt A. de Heer
Nature Communications Published:19 December 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-34369-4
Abstract
Graphene’s original promise to succeed silicon faltered due to pervasive edge disorder in lithographically patterned deposited graphene and the lack of a new electronics paradigm. Here we demonstrate that the annealed edges in conventionally patterned graphene epitaxially grown on a silicon carbide substrate (epigraphene) are stabilized by the substrate and support a protected edge state. The edge state has a mean free path that is greater than 50 microns, 5000 times greater than the bulk states and involves a theoretically unexpected Majorana-like zero-energy non-degenerate quasiparticle that does not produce a Hall voltage. In seamless integrated structures, the edge state forms a zero-energy one-dimensional ballistic network with essentially dissipationless nodes at ribbon–ribbon junctions. Seamless device structures offer a variety of switching possibilities including quantum coherent devices at low temperatures. This makes epigraphene a technologically viable graphene nanoelectronics platform that has the potential to succeed silicon nanoelectronics.
