リサーチハイライト

二層グラフェンのような二次元材料は、エレクトロニクスに革命をもたらすと期待されている。しかし、実用的なデバイスへの応用にあたっては、まず、そのエキゾチックな電子物性を把握する必要があり、そのための精密な測定手法が求められる。

二次元材料の電子状態は非常に短い時間スケールで変化することが多いため、その特性を評価するためには高周波反射測定法などの高周波測定法が必要となる。

しかし、従来の高周波測定法に使用される量子デバイスのセットアップでは、絶縁体としてSiO₂、バックゲートとして高濃度ドープSiを用いており、この構造は浮遊容量を増大させるため、高周波信号のリークが問題となる。

この課題を解決するため、AIMRの大塚准教授らは2023年、SiO₂とドープSiを用いない高周波用二層グラフェン量子デバイスを設計した¹。

「私たちは、基板にアンドープSi、絶縁体に六方晶窒化ホウ素、バックゲートにマイクロスケールのグラファイトを用いた、高周波用二層グラフェン量子デバイスを設計しました。このアプローチにより、高周波信号のリークを低減し、さらに共振回路整合条件の改善や高周波反射測定の感度向上が可能となりました」と大塚准教授は説明する。

研究チームは、直流電流測定と高周波反射測定の両方を用いて二層グラフェン内に形成された量子ドットを精査し、クーロンブロッケード（電子が一つずつ量子ドットを介して流れることを示す菱形構造）を観測した。高周波反射測定でクーロンダイヤモンドを検出できていることから、今回開発したデバイス構造を活用することで、二次元材料の特性を高速に評価できることが示唆された。

大塚准教授は、「今回、二層グラフェンを用いた量子デバイスで高周波の精密な測定が実証できたことで、二次元材料の量子ダイナミクスを解明する新たな道が開かれました。このアプローチによって、これまでにない二次元材料量子系のふるまいが明らかになると期待しています」と今後の進展への期待を語っている。

（原著者：Patrick Han）