マサチューセッツ工科大学（MIT）、ハーバード大学、および日本の物質・材料研究機構の研究者らが、グラフェンを5層に並べたときに生じる、「フェロ・バレトリシティ」と呼ばれる珍しい電子状態を明らかにした。この新しい状態にあるとき、グラフェンの積層は奇妙で素晴らしい磁気的・電子的挙動を示す。
研究チームによれば、グラフェンをこのように利用することで、古典コンピュータと量子コンピュータの両方の開発に役立つ可能性があるという。
グラフェンとは、ハニカム（蜂の巣）格子構造に配列された炭素原子の単層につけられた名前で、エレクトロニクス、複合材料、宇宙、生体医療機器などさまざまな分野で応用されている。
グラフェンは、通常の鉛筆を原子1個分の薄さに削ることで手に入れることができる。この状態のグラフェンは非常に強いことが知られている。
「グラフェンは魅力的な材料です。層を重ねるごとに、本質的に新しい材料になります。そして今回、5層のグラフェンで初めてフェロ・バレトリシティと非従来型の磁性が見られました。しかし、1層、2層、3層、4層ではこの性質は見られません」と、MITのLong Ju教授は述べている。
強誘電体材料は、電気的、磁気的、構造的特性において予測可能な挙動を示す。磁石は強誘電体の例としてよく挙げられるが、複数の性質が協調して複数の状態を示すマルチフェロイック物質には及ばない。
マルチフェロイック物質は、データ・ストレージ・ドライブの設計に使用できるため、科学者を魅了している。現在のデータ・ストレージは磁気で駆動するが、スイッチを入れるには電気エネルギーが必要で、時間とエネルギーを要する。
マルチフェロイック物質であれば、より少ないエネルギーでドライブにデータを入力できるため、この問題を解決できる可能性がある。Ju氏が率いる研究チームは、グラフェンがマルチフェロイック特性を示すかどうかを考えた。「われわれは、電子の速度が遅くなるような環境、つまり周囲の原子格子との相互作用が小さくなり、他の電子との相互作用が発揮されるような環境を探しているのです」とJu氏はプレスリリースで説明している。
マルチフェロイック・グラフェン
計算の結果、研究チームは、5層に積み重なったグラフェン内部の電子は非常にゆっくりと動き、他の電子と相互作用することが可能であることを発見した。これにより、マルチフェロイックな振る舞いの条件が整うことになる。
そこでMITの研究チームは、グラファイト（鉛筆の芯）のブロックを削ってフレーク状にし、光学ツールを使って、5層に積み重なったグラフェンの断片を探し出した。
これらの薄片は、絶対零度をわずかに超える温度で研究された。この条件下では、グラフェンに対する他の影響はすべて減衰し、研究者たちは、グラフェンが実際に2つの強誘電秩序を示すことを発見した。
最初の強磁性については、グラフェンは、従来の磁石に見られるようなスピンではなく、電子が軌道運動をする非従来型の磁性を示す。
2つ目の性質は、グラフェンの電子的な「谷」、つまり電子が自然に落ち着くことのできる最低の状態に関連している。グラフェンには2つの谷があり、電子はそのどちらかを好むわけではない。しかし、グラフェンを5層重ねると、電子は協調し始め、一方の谷を好むようになる。
「フェロ・バレイトロニクスを見たのは初めてですし、フェロ・バレイトロニクスと非従来型強磁性体の共存を見たのも初めてです」とJu教授は付け加えた。
興味深いことに、これらの強磁性特性はいずれも電界を使って制御することができる。将来、5層グラフェンを使ってメモリーチップを作れば、より少ないエネルギーでより多くのデータを保存することが容易になるだろう、と研究チームは示唆している。
論文
参考文献
研究の要旨
強誘電秩序は、物質中のスピン、電荷、格子の自由度の自発分極を表す。マルチフェロイックスとして知られる複数の強誘電秩序を示す材料は、多機能電気・磁気デバイス応用において重要な役割を担っている1-4。ハニカム格子を持つ二次元材料は、強誘電秩序が電子スピンではなく、純粋に軌道の自由度によって駆動される、従来とは異なるマルチフェロイック性を設計する機会を与えてくれる。これには、電子の谷に対応する強誘電性5 や、量子幾何学的効果に支えられた強磁性6 が含まれる。このような軌道マルチフェロイックスでは、強い谷-磁気相互作用が得られ、外部磁性に対して大きな応答が得られるため、多状態記憶素子や、谷と磁気状態の電気的制御といったデバイス応用が可能になる。本論文では、低温磁気移動測定を用いた五層菱面体グラフェンにおける軌道マルチフェロイック性について報告する。その結果、非常に大きなホール角（tanΘH > 0.6）と軌道磁気ヒステリシスを持つ異常ホールシグナルRxyがホールドーピング時に観測された。このような状態は、異なる谷分極と軌道磁化を持つ4つの状態があり、谷磁気カルテットを形成している。ゲート電界Eを掃引すると、カルテットを結ぶRxyのバター型のヒステリシスが観測された。このヒステリシスは、複合磁場E-B（Bは磁気磁場）には結合するが、個々の磁場には結合しない強磁性-磁谷秩序を示している。Eを調整することで、それぞれの強磁性秩序を独立にスイッチングし、それらを一緒に不揮発性スイッチングを実現することができる。われわれの観測は、これまで知られていなかったタイプのマルチフェロイックスを実証し、電気的に調整可能な超低消費電力のバレートロニック・デバイスや磁気デバイスを指し示すものである。
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