東京大學研究生院理學系研究科3年級博士生遠藤由大及其教授長谷川修司，與早稻田大學理工學術院的專職講師高山Akari、日本核能研究開發機構先端基礎研究中心的研究主任深谷有喜、高能加速器研究機構物質結構科學研究所的助教望月出海及金剛石研究員兵頭俊夫等人組成的研究團隊，利用名爲「全反射高速正電子繞射法」（TRHEPD法）的實驗方法，全球首次明確了碳原子層物質石墨烯與鈣形成的具有超導特性的二維化合物的原子排列。另外研究團隊還透過實驗應答，這種原子排列顯示出電阻爲零的超導現象（圖1）。此次查清了使用石墨烯的新化合物的原子排列，爲利用石墨烯開發零能耗的超高速資訊處理奈米器件等材料開闢了道路。
圖1：新化合物的原子排列
相關研究論文已於2019年10月25日發表在學術期刊《Carbon》的網路版上。
物質的性質與物質的原子排列密接相關，要想查清爲何顯現超導現象，就要準確瞭解其晶體結構。在成長於碳化硅基底層的雙層石墨烯中插入鈣原子的化合物的超導現象具有巨大的應用潛力，但此前一直不清楚其原子排列的準確情況。在碳化硅基底層上形成兩層石墨烯時，兩層石墨烯與基底層之間還會形成一層與石墨烯非常相似的碳原子層，稱爲緩衝層。也就是說，包括碳原子層在内，具有層疊了3層的原子排列。以前一直認爲其原子排列是在上面的兩層石墨烯層之間插入了鈣原子，但始終未能透過實驗應答這種觀點是否正確。
本研究利用能以高靈敏度檢測樣本最表面的原子排列資訊的實驗方法TRHEPD法，調查了碳化硅基底層上插入鈣的雙層石墨烯的原子排列。全球首次透過實驗應答，其實際原子排列與此前認爲的不同，僅石墨烯與緩衝層之間插入了鈣原子。研究團隊還測量了該樣本的電導率是如何隨着溫度變化的。結果發現，顯示出了與過去的研究相同的超導特性。透過這一系列的研究，明確了碳化硅基底層上插入鈣的雙層石墨烯的原子排列與物理性質之間的關係，可以詳細研究超導表現機制。
此次的研究結果表明，即使是碳化硅基底層上成長的單層石墨烯，也極有可能顯現出超導特性。單層石墨烯的電子質量爲零，也就是說，具備電子可以像光一樣高速行程的特性，因此，透過結合該性質與超導特性，有望實施零能耗的超高速資訊處理奈米器件。
論文資訊
論文題目：Structure of superconducting Ca-intercalated bilayer Graphene/SiC studied using total-reflection high-energy positron diffraction
期刊名稱：《Carbon》
DOI：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.10.070
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
