筑波大学数理物質系の近藤剛弘准教授らは11月9日、薄いシート状の炭素の結晶のグラファイトに窒素原子が微量に混じることで、特異な電子状態が現れることを見つけたと発表した。これは「ランダウ準位」と呼ばれる物理現象で、通常は強力な磁場の中で円運動をする電子の飛び飛びのエネルギーの値として知られているが、磁場もゆがみもない平面で観測されたのは初めて。
■電子材料や触媒、電池などへの応用も
計測には原子の表面を詳細に観察できる走査トンネル顕微鏡（STM）などを使った。先端のとがった金属針をグラファイトの表面をなぞるように動かし、針とグラファイト間に流れるトンネル電流の変化を距離に換算し、画像化した。その結果、平坦な表面に通常は強力な磁場をかけないと現れないような特異なランダウ準位が観測された。
窒素添加のグラファイトを作成し、分析したところ、表面炭素原子に0.04％の窒素原子が混じった時に、窒素の大部分が正電荷に帯電していた。電子の状態を量子力学の基本法則に基づいて計算したところ、グラファイト表面にはエネルギーの山、谷が存在し、電子はこの山に沿って動くため、あたかも磁場の中で円運動しているように考えられると解釈した。
グラファイトは鉛筆の芯と同じ材料で、熱と電気をよく伝え、軽量で、化学薬品や高温に対しても優れた強度があり、潤滑性にも富んだ結晶化合物。自動車のブレーキや潤滑剤、電池の電極、家電製品などに幅広く使われており、新たな電子状態が見つかったことで触媒や電池など環境材料やエネルギー材料への新しい応用が期待されている。
