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 NTTやパリ・サクレ―大学などは2021年12月14日、六角形の格子状に並んだ炭素原子を1原子レベルまでに薄くした物質「グラフェン」において、巨大な反磁性の観測に成功したと発表した。磁荷を持たないグラフェンであるものの、外部に磁場を加えた際に逆向きの巨大な磁化が生じることが理論的に予言されてきた。NTTなどは今回、世界で初めて実験的に観測できたとする。観測のために新たに開発した高感度な磁気センサーを、近年注目を集めている、数学的なトポロジー概念によって理解される特異な物質群「トポロジカル物質」の観測などに役立てたい考えだ。

鉛筆の芯などに使われるグラファイトを1原子層まで薄くしたグラフェンは、理論的に特異な電子物性を持つことが予言されてきた
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鉛筆の芯などに使われるグラファイトを1原子層まで薄くしたグラフェンは、理論的に特異な電子物性を持つことが予言されてきた
(出所:NTT)

 グラフェンとは、鉛筆の芯などに使われる炭素原子で構成するグラファイトを1原子層まで薄くしたシート状の物質だ。グラフェンは古くから、特異な電子物性を持つことが理論的に予言されてきた。

 固体の物質としての性質は、電子の持つエネルギーと運動量の関係を表したバンド構造によって表現できる。グラフェンのバンド構造は、向かい合った円すいが1点で接するような特殊な構造を取る。

 円すいが交わる1点は「ディラック点」と呼ばれる。グラフェンはこの点において、外部から磁場を加えた場合、絶対零度の状態で反磁性効果が無限大になることが理論的に予言されてきた。「ベリー位相」といわれる特殊な幾何学的位相(トポロジー)の効果によるものという。

 NTTらは今回、グラフェンが持つ巨大な反磁性効果を初めて実験的に観測したという。具体的には(1)高品質なグラフェン素子の作製、(2)高感度な磁気センサーの利用、という2つの技術改良によって実現した。

できるだけ高品質なグラフェン素子を作製する手法を新たに確立した
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できるだけ高品質なグラフェン素子を作製する手法を新たに確立した
(出所:NTT)

 前者の高品質なグラフェン素子の作製については、「スコッチテープ法」と呼ばれるテープを用いてグラフェンを1原子層まで薄くできる手法を活用した。素子に混ざる不純物の量が増えると、実際に観測できる反磁性効果が極めて弱くなってしまう。それを避けるために、最終的には取り出した1原子層のグラフェンを六角窒化ホウ素で両面保護することでクリーンな素子とした。

巨大磁気抵抗(GMR)素子をグラフェンの反磁性効果を検出する高感度な磁気センサーとして応用した
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巨大磁気抵抗(GMR)素子をグラフェンの反磁性効果を検出する高感度な磁気センサーとして応用した
(出所:NTT)

 後者の高感度な磁気センサーについては、「巨大磁気抵抗(GMR)素子」という磁気センサーを新たに適用することで、微弱な反磁性効果も観測できるようにした。

 具体的にはグラフェン素子の左右に2つのGMR素子を配置する。外部磁場をグラフェン素子に対して垂直方向に加えた場合、反磁性効果が生じた場合には、左右それぞれで時計回り、反時計回りの磁束が発生する。GMR素子は磁束の向きに反応し、抵抗が大きくなったり小さくなったりする。反磁性が生じている場合、左右のGMR素子でそれぞれ逆向きの磁場が生じるため、左右で大きな抵抗差が生じる。これを反磁性を観測するセンサーとして活用した。

実際の測定結果。横軸0のディラック点近傍において、反磁性のピークを観測できた
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実際の測定結果。横軸0のディラック点近傍において、反磁性のピークを観測できた
(出所:NTT)