低次元・原子層物質のトポロジカル量子物性
〜グラフェン・有機導体・トポロジカル層状物質〜


 私達の研究室では、ナノ構造の微細加工技術と低温・強磁場・高圧という極限環境を用いて、低次元電子系やその極限である「原子層」物質で発現する新しい量子物性を探索・解明するとともに制御・応用することを目指しています。近年は、グラフェン、フォスフォレンを始めとする原子層物質や、量子ホール状態などのトポロジカル相の表面状態・エッジ状態の量子伝導現象を主な研究対象としています。

●"Dirac Physics"

 鉛筆の芯などに使われる黒鉛(グラファイト)は良く知られた炭素の層状結晶です。これを劈開して1枚の原子層だけを取り出したものがグラフェンです。グラフェン中の電子は、相対論的な量子力学の方程式であるディラック方程式と同型の方程式に従うため、固体中ディラック電子と呼ばれます。さらに圧力下の2次元有機導体α-(BEDT-TTF)2I3も固体中ディラック電子系であることが解明されましたが、これは3次元結晶であるため乱れに強いという特徴を持ちます。私達は、グラフェンやα-(BEDT-TTF)2I3などを対象に、固体中ディラック電子系特有のエキゾチックな量子伝導現象・トポロジカル伝導現象を研究しています。具体的には、量子ホール状態でのカイラルおよびヘリカルエッジ(表面)状態、バレー依存伝導、クライントンネリング、ベリー位相効果、電子相関効果などに興味を持って研究を進めています。

●新しい原子層科学

 グラフェンを黒鉛結晶を劈開して作ったように、グラフェン以外の層状物質からも同様に原子層を作ることができます。私達の研究室では、超伝導体、半導体、強相関電子系などの色々な原子層の作製を試みており、究極の2次元結晶における新奇な物性の探索を行っています。将来的には異なる原子層を積層して自然界には無いような複合原子層物質を人工的に設計し作製していくことも目指しています。原子層固有の物性のほかに、物質を薄くしていくにつれて物性がどのように変化して行くかという観点からも研究を行っています。原子層半導体フォスフォレンの電子構造とその制御、スピンがフラストレートしたモット絶縁体NiGa2S4へのキャリア注入と電場誘起モット転移、鉄系層状超伝導体やトポロジカル絶縁体の超薄膜化による物性変化などを目指しています。

●トポロジカル物性

 近年の物性科学では、トポロジー(位相幾何学)的な考え方が非常に重要になっています。グラフェンや他の原子層は、トポロジカル物性が具現化し、かつその人工的制御が可能な重要な研究対象であると考えられます。私達は、一般的にトポロジカル物性の観点から、量子ホール強磁性状態やトポロジカル絶縁体などのトポロジカル相の表面状態・エッジ状態の量子伝導現象の研究も行っています。




<NHK高校講座(2013年4月17日放送)の撮影スタッフの皆さんと>