東大、単一ナノチューブで超伝導を初観測——省エネナノエレクトロニクスの新展開へ

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東京大学は2017年2月16日、無機ナノチューブの一種である二硫化タングステン(WS2)ナノチューブに対して、電解質ゲートを用いたキャリア数制御を実行すると、WS2ナノチューブの電気伝導性を制御できること、電子を多量にドープした領域で超伝導が発現することを発見したと発表した。

WS2は、遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる物質群の1つ。グラフェンに次ぐ原子層物質として近年大きな注目を集めている。一方、そのナノ構造体の一種であるWS2ナノチューブは、金属と絶縁体の中間の電気伝導性を示す半導体であり、固体ゲート絶縁体材料を用いた電気伝導性の制御や力学特性について研究されてきた。だが、超伝導を含めた電気伝導性の大幅な制御は未報告だった。

研究グループは今回、多層WS2ナノチューブを基板上に分散させ、単一ナノチューブのデバイスを作製。その後、ゲート絶縁体材料として電解質(KClO4)を用い、電気伝導性の制御を試みた。研究グループによると、ゲート絶縁体材料の電解質に電圧を印加すると、電解質中のイオンが、物質表面や原子層物質の層間に集積して、物質中に電荷が蓄積され、大幅なキャリア数の制御が可能になるという。

このキャリア数制御の結果、半導体だったWS2ナノチューブに電子を蓄積して金属的電気伝導特性にすることができた。さらに、電気抵抗が5.8ケルビン(−267.4℃)以下でゼロになる超伝導が、電子を多量に蓄積した領域で発現することを見出した。単一ナノチューブで超伝導特性を観測したのはこれが初めて。この研究成果により、ナノチューブの特徴的な形状(円筒構造や原子層の巻き方の自由度)を反映した超伝導特性の探索が可能になった。

今回の研究は、特に磁場下での電気伝導性の振る舞いを詳細に測定することにより、電気抵抗がチューブ軸と磁場の角度に大きく依存する異方的な振る舞いを示すことや、磁場がチューブ軸に平行な場合に、円筒を貫く磁場に電気抵抗が影響を受けること、さらに電流電圧特性が、磁場と電流が平行か反平行かで、異なる振る舞いを示すことを明らかにした。これら新しい超伝導特性は、単一ナノチューブに特有のものであり、前例のない特異な超伝導状態が、実現されていることを示している。同研究成果は、省エネルギーナノエレクトロニクスに、新たな指針を与えることが期待される。

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