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電子の固体状態の画像化に初めて成功!

Nature ダイジェスト Vol. 19 No. 1 | doi : 10.1038/ndigest.2022.220102

原文:Nature (2021-09-29) | doi: 10.1038/d41586-021-02657-6 | This is what a solid made of electrons looks like

Davide Castelvecchi

電子が結晶化した状態である「ウィグナー結晶」は微小で壊れやすく、直接観察が極めて難しい。今回、デバイスをグラフェンで覆い、その上から観察することによって、この電子の結晶の顕微鏡での撮影が可能になった。

グラフェン層を介して撮影された、ウィグナー結晶の走査型トンネル顕微鏡像。ハニカム構造で配列し、結晶化した電子の様子がはっきりと見て取れる。 | 拡大する

H. Li ET AL./NATURE

全ての条件がそろえば、物質内部の電子の一部はきれいなハニカムパターンに整列し、固体の中に固体を形成する。こうした電子の結晶化は、約90年前にハンガリー出身の理論物理学者ユージン・ウィグナー(Eugene Wigner)によって初めて予想され、彼の名前にちなんで「ウィグナー結晶」と名付けられた。今回、カリフォルニア大学バークレー校(米国)の物理学者Feng Wangらは、観察が極めて難しいウィグナー結晶を直接画像化することに成功し、Nature 2021年9月29日号650ページに報告した1

ウィグナー結晶は、これまでに何度も形成され、さまざまな測定により、その存在を示す説得力のある証拠が得られてきた。しかし、実際にその結晶パターンのスナップショットが撮影されたのは、今回が初めてだとWangは言う。「電子の結晶があると主張するなら、その結晶を実際に見せてみろ、というわけです」。

Wangらの研究チームはまず、ウィグナー結晶を作るために、二硫化タングステン(WS2)と二セレン化タングステン(WSe2)という、類似した2種類の原子レベルで薄い遷移金属ジカルコゲニド半導体を用いてヘテロ構造デバイスを作製した。次に、電場を用いて、WS2層とWSe2層の界面上で自由に動く電子の密度を調整した。

普通の物質中では、電子は高速で動き回っているため、それぞれが持つ負の電荷間に働く反発力からはさほど影響を受けない。しかしウィグナーは、電子の移動速度が十分に遅ければ、こうした反発力が電子の挙動を支配し始めるだろうと予測した。その際、電子は、全体的なエネルギーが最小になるよう、ハニカム構造などのパターンで配列するようになると考えられる。そこでWangらは、作製したデバイスをわずか数ケルビンという極低温まで冷却することによって、デバイス中の電子の速度を遅くした。

電子の結晶化には、デバイス中のヘテロ構造におけるWS2層とWSe2層の間の格子不整合も役立った。WS2とWSe2では原子間距離がわずかに異なるため、それらを重ね合わせると、種類の異なる2つの格子を重ねたときに見られるような、ハニカム構造の「モアレパターン」が形成される。こうした繰り返しパターンが、エネルギーのわずかに低くなる領域を作り出すことで、そこに電子が落ち着きやすくなったのである(2019年6月号「ずらして重ねると輝きを放つ二次元材料」参照)。

研究チームは、こうして形成されたウィグナー結晶を、走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて観察した。STMでは、金属探針の先端を試料表面に近づけ、電圧を加えた際に電子が探針から試料へと飛び移って流れるトンネル電流を検出する。また、STMは原子レベルの高い空間分解能を持ち、探針を試料表面に沿って水平方向に動かすと、検出される電流の強度の変化から試料中の電子の位置を明らかにできる(2016年6月号「電場で化学反応を制御する」参照)。

Wangによると、研究チームは最初、STMをヘテロ構造デバイスに直接適用して画像化を試みたが、ウィグナー結晶が非常に脆弱で、探針からの微弱な電流でも壊れてしまい、撮像は叶わなかったという。そこで彼らは、ヘテロ構造を炭素の単一原子層であるグラフェンで覆い、その上からSTMで観察することにした。グラフェン層を介することで、探針からの電流の影響がヘテロ構造中のウィグナー結晶に達するのを避けられる一方、グラフェン中の電子構造はウィグナー結晶の構造をそのまま反映するため、それをSTMで捉えることができる(2015年2月号「グラフェンの新たな利用価値:プロトン透過能と防弾性」、2018年6月号「グラフェンをずらして重ねると超伝導体に!」参照)。グラフェン層とヘテロ構造の間には、グラフェンのこうした2つの役割を確実にするよう、最適な厚さの絶縁体(六方晶窒化ホウ素)層が挿入された(図1)(2019年11月号「結晶作りの2人の巨匠」参照)。こうして撮影された画像には、きれいに整列した電子の様子がはっきりと映し出されていた。また、ウィグナー結晶中の電子の間隔は、予想されていた通り、このヘテロ構造デバイス中の原子間距離の約100倍だった。

図1 ヘテロ構造デバイスの概略図
Wangらは今回、二硫化タングステンと二セレン化タングステンからなるヘテロ構造内でウィグナー結晶を形成し、グラフェン層を介して走査型トンネル顕微鏡で観察することで、結晶化した電子の状態を撮影することに成功した1。グラフェン層とヘテロ構造の間には、絶縁体として六方晶窒化ホウ素の層が挿入されている。 | 拡大する

「この系でSTM観察ができたことは、大きな前進だと思います。グラフェン層を用いるこの方法によって、ウィグナー結晶以外にも、多くの興味深い物理現象のSTM研究が可能になるでしょう」と、コロンビア大学(米国ニューヨーク)の物理学者Carmen Rubio Verdúは言う。コーネル大学(米国ニューヨーク州イサカ)の物理学者Kin Fai Makも、これに同意する。「今回の手法は観察対象の状態を壊しません。とても賢いアイデアだと思います」。

(翻訳:藤野正美)

参考文献

  1. H. Li et al. Nature 597, 650–654 (2021).

キーワード

Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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