「グラフェン磁石の創製」

 グラフェンは炭素原子一個分の薄さしか持たない究極の単原子薄膜であり、その簡易な生成方法をマンチェスター大Geim教授らが2004年に発見して以来爆発的な研究が世界中で進み、昨年のノーベル物理学賞に輝いた。グラフェン中では電子は超高速で走る上に、透明でフレキシブル、かつ強固であるため、超高性能トランジスタ・透明導電膜としての応用研究も盛んで、i-podなどのタッチパネルへの搭載も数年後には予定されている。
 今回の発見はリソグラフィを使わずに、このグラフェンに低欠陥・低汚染で六角形の細孔を蜂の巣状にあけて、水素雰囲気中で熱処理すると、磁性元素を一切使っていないのにグラフェンが磁石にもなることを発見したものである。これは、グラフェンの端(エッジ)の原子配列が「ジグザグ」と呼ばれる構造になっている時に電子がそこに多く溜まり相互作用し、その結果両側をこのジグザグ端で挟まれた細いグラフェンは磁石になるという理論予言を初めて実証したものである。この場合、細孔周囲の端が低欠陥・低汚染のジグザグ原子配列を持ち、細孔間の細いグラフェン領域で磁化が発生しているものと考えられる。六角形の細孔を蜂の巣状にグラフェン上に大量にあけたことが、この細孔間グラフェン領域を大量に産み出し、磁石創製につながったものと考えられる。
 今後の課題として、細孔端の原子配列の直接の観測やその構造制御が必要になる。
 本発見は、今後、希少元素フリーで環境に優しい炭素原子一層からなる「超軽量・フレキシブル透明磁石」の開発や新規スピン物性現象の研究に発展するものであり、大いに期待がもたれる。
 
共同研究:東京大学理学部物理学科 福山寛研究室(STM観測)、フランス国立科学研究センターChshiev教授グループ(理論解析)   
助成:科研費補助金、私立大学ハイテクリサーチセンタープロジェクト、フランス政府、などによる支援。