Broida Hall (物理学棟)

Broida Hall は、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（UCSB）のキャンパスの東側にある物理学科の建物で、ここに各研究室の居室や実験室などがだいたい入っている。 実験室の近く。実験室の扉を開けるとすぐ外に出る。液体窒素などの汲み場はすぐ近くにあり、便利である。 研究グループの居室。窓が無いのが残念。

サンプル作製と測定

サンプルの作製

実験では、まずスコッチテープ法という手法（2010 年ノーベル物理学賞）でグラファイトや六方晶窒化ホウ素などを劈開して（スコッチテープで手で剥がしていく）それらの原子層（ナノメートルスケールの厚さのもの）を準備する。これらを積層する（重ねる）ことでサンプルを作製する。私の研究では各層（主にグラフェン）の結晶方位に対する相対角度を制御して積層していき、モアレ構造を作成する。（例えばこちらの記事を参照。）実際のサンプル作製に関しては下記の Youtube 動画が分かりやすい

  • スコッチテープ法に関して

  • 原子層の転写に関して

実際の原子層の光学顕微鏡の写真。右から六方晶窒化ホウ素、グラフェン、六方晶窒化ホウ素。これらを積層するとその下の写真になる。

デバイス加工

積層したサンプルをデバイスに加工する。これらのプロセスはキャンパス内の共同利用施設であるクリーンルーム(UCSB Nanofabrication Facility)で行う。企業なども利用でき（ただしかなり高額）、例えば Google の量子コンピュータ部門（サンタバーバラ近くの Goleta にある）もハードウェアの部品の作成などに利用している。クリーンルーム内の装置（主に走査型電子顕微鏡、Etching 装置、蒸着装置）を利用して、加工していく。 クリーンルーム内 Wet bench：試薬の使用など。 走査型電子顕微鏡: デバイスのデザインのパターニングに使用。装置の詳細はこちら 電子ビーム蒸着装置：電極の作成に使用。装置の詳細はこちら

完成したデバイスの例がこちら。 デバイスのサイズは 10-20 マイクロメートル程度である。このデバイスは実際に論文中のデータ取得に使ったものでこの論文 (arXiv 版)中の Device #1 と同一のものである。 実際にどのように電極がデバイスに電気的に接しているかはこちらの論文を参照。

測定

デバイスが実際に測定可能か、つまり最低限電気的にコンタクトがとれているか、ゲートがリークしていないかをプローブステーションでチェックする。針のようなもの（プローブ）を電極パッドに接触させて、任意の電極間の抵抗値などを測定する。

冷凍機に入れるためにまずこのような冷却用プローブの先端にデバイスを設置する。

希釈冷凍機（写真左側の大きい白い円筒状のもの）で最低温度 10mK（つまりセルシウス度で-273.14℃、絶対零度よりも 0.01℃ だけ高い）まで冷却し、デバイスの特性、例えば電気抵抗値や量子キャパシタンスなどを測定する。希釈冷凍機の仕組みはこちら。冷凍機や測定装置の制御には LabRAD を用いていた。

そこまでの低温が必要ない場合は液体ヘリウム（＋減圧）を用いて、1.5K まで冷却して測定を行う。希釈冷凍機が最低温度 10mK まで 10 時間程度かかるのに対して、こちらは 2-3 時間で最低温（1.5K）までいくことができる。写真の冷凍機は今のラボができる前にこの実験室を使用していたラボが数十年前に購入し使用していた（古代の）冷凍機でメンテナンスが大変である。

研究テーマと論文

UCSB では、twisted2 層グラフェンという 2 枚のグラフェンをある特定の角度（1.1 度）だけずらして積層させた構造の超低温における量子現象の研究を行っていた。

関連ビデオ（ポスドク時代のボスの講演）：https://online.kitp.ucsb.edu/online/bands-oc20/young/rm/jwvideo.html

論文


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