6年前の発見は、凝縮系物理学の世界に旋風を巻き起こした。極薄炭素 積み重ねられた わずかに斜めになった2つの層が超伝導体となり、層間のねじれ角を変えることで電気的特性を切り替えることができる。画期的な 2018年論文 「マジックアングルグラフェン超格子」を記述した論文は「ツイストロニクス」と呼ばれる新しい分野を立ち上げ、その筆頭著者は当時MITの大学院生で、最近 ハーバードジュニアフェロー 袁操。
ハーバード大学の物理学者とともに アミール・ジャコビー、 エリック・マズール、そしてその他、曹氏とその同僚たちはその基礎研究を基に、多くの種類の材料をねじって研究するためのより簡単な方法を発明することで、ツイストロニクス科学への道を平坦化しました。
新しい 紙 ネイチャー誌に発表された論文では、薄い材料を自由にねじることができる、チームの爪ほどの大きさの機械について説明されており、ねじれたデバイスを一つずつ製造する必要がなくなる。研究や操作が容易な特性を持つ薄い2D材料は、高性能トランジスタ、太陽電池などの光学デバイス、量子コンピューターなどに大きな影響を与える。
「この開発により、2D 物質の電子密度を制御するのと同じくらい簡単にねじれを制御できるようになりました」と、ハーバード大学の物理学および応用物理学の教授であるヤコビー氏は語ります。「密度の制御は、低次元物質における新しい物質相を発見するための主な鍵でしたが、今では密度とねじれ角の両方を制御できるようになり、発見の無限の可能性が開かれました。」
曹操が最初に作った ねじれた二層グラフェン MIT の Pablo Jarillo-Herrero 研究室の大学院生としてこの成果を達成しました。この成果は刺激的なものでしたが、実際のねじれを再現するという課題によって和らげられました。
当時、ねじれたデバイスはそれぞれ製造が難しく、その結果、独自性があり、時間がかかるものだったとカオ氏は説明する。これらのデバイスで科学研究を行うには、数十、あるいは数百のデバイスが必要だった。カオ氏は、「すべてをねじる 1 つのデバイス」を作れないかと考えた。つまり、何百もの独自のサンプルを必要とせずに、2 層の材料を自由にねじることができるマイクロマシンだ。彼らはこの新しいデバイスを、MEMS (微小電気機械システム) ベースの 2D 材料用汎用アクチュエーション プラットフォーム、略して MEGA2D と呼んでいる。
Yacoby 研究室と Mazur 研究室は、グラフェンやその他の材料に一般化できるこの新しいツールキットの設計に協力しました。
「当社の MEGA2D 技術によるこの新しい『ノブ』により、ねじれたグラフェンやその他の材料の多くの根本的な謎が簡単に解決できると考えています」と、現在カリフォルニア大学バークレー校の助教授であるカオ氏は言う。「その過程で、他の新しい発見ももたらされることは間違いありません。」
論文では、研究者らはグラフェンに近い六方晶窒化ホウ素 2 枚を使って、このデバイスの有用性を実証しました。研究者らは、この二重層デバイスの光学特性を研究し、切望されていた位相特性を持つ準粒子の証拠を発見しました。
この新しいシステムの使いやすさにより、六方晶窒化ホウ素ツイストロニクスを使用して低損失光通信に使用できる光源を生成するなど、いくつかの科学的な道が開かれます。
「私たちのアプローチがこの活気ある分野の他の多くの研究者に採用され、誰もがこれらの新しい機能から恩恵を受けることができることを願っています」と曹氏は語った。
論文の第一著者は、ナノサイエンスと光学の専門家で、マズール研究室の博士研究員であり、ハーバード量子イニシアチブ研究員でもあるハオニング・タン氏だ。同氏は、MEGA2D技術の開発は試行錯誤の長いプロセスだったと指摘した。
「2D材料の界面をリアルタイムで制御する方法をあまり知りませんでしたし、既存の方法では不十分でした」と彼女は言う。「クリーンルームで数え切れないほどの時間を費やし、MEMS設計を改良し、多くの失敗にもかかわらず、約1年間の実験を経てようやく実用的なソリューションを見つけました。」すべてのナノファブリケーションはハーバードの ナノスケールシステムセンタータン氏は、そこでスタッフが貴重な技術サポートを提供してくれたと付け加えた。
「MEMS 技術と二重層構造を組み合わせたデバイスのナノファブリケーションは、まさに傑作です」とバルカンスキー物理学および応用物理学教授のマズール氏は語ります。「結果として得られるデバイスの非線形応答を調整できることで、光学とフォトニクスのまったく新しいクラスのデバイスへの扉が開かれます。」
この研究に対する連邦政府の資金は、国防高等研究計画局、陸軍研究局、米国空軍科学研究局、および国立科学財団によって提供された。