グラフェン：2010年のノーベル物理学賞から

2010年のノーベル物理学賞は、グラフェン研究への貢献が認められ、英国の2人の物理学者AndreGeimとKonstantinNovoselovに授与されました。今年の物理学賞にはいくつかの異なる場所があります。

まず第一に、これは歴史上最初の炭素に関する物理学賞です。高校時代から、炭素には2つの結晶形があることがわかっています。1つは最も高価な宝石に使用されるダイヤモンドで、もう1つは最も一般的な鉛筆に使用されるグラファイトです。また、ダイヤモンドが最も硬い天然素材であることもわかっています。グラファイトは非常に「壊れやすい」です。グラファイトの結晶構造は層状になっています。各層の炭素原子は中実の六角形の構造を形成し、層間の結合ははるかに弱くなります。したがって、グラファイトは層の方向に容易に分割されます。私たちが持っている一般的な物質の中で、炭素の「両面性」は独特であると言えます。

しかし、話は始まったばかりです。 1985年に、炭素には他の形態があることが発見されました。図1に示すように、60個の炭素原子（C60）がボールを形成できます。C60の構造モデルはサッカーに似ているため、サッカーとも呼ばれます。 C60の発見は、1996年にノーベル化学賞を受賞しました。その後、人々はいわゆる「カーボンナノチューブ」を発見しました。これは、直径約1ナノメートル、長さ数センチメートルの炭素原子で構成される管状構造です。受賞歴のあるグラフェンは、1層のグラファイトである炭素原子の単層膜です。炭素は私たちの体の最も身近な要素であり、主要な構成要素であり、長年にわたって物理学の対象ですが、炭素構造に関する研究は、ノーベル物理学賞を受賞するのは初めてです。

2010 Physics Awardsは、21世紀（2004年）に行われた最初の受賞作品でした。受賞者の1人であるヌーサロフは1973年以来最年少の物理学受賞者でした。通常、ノーベル科学賞は本質的に少し「考古学的」であり、すぐに受賞するのはほんの一握りの仕事だけです。グラフェンの重要性は、創業以来広く認識されてきました。物理学で最も権威のあるジャーナル、PhysicalReviewLettersをご覧ください。ガムらの受賞作品の前は、グラフェンに関する記事は21件しかありませんでした。 2010年10月にノーベル賞が発表されるまでに、記事には1,476件の記事がありました。ノーベル賞が発表される前でさえ、ヌーショロフの論文の引用率はすでに現実の世界で最高の1つでした。この作品は新しい分野を生み出し、急速に注目を集めていることがわかります。したがって、このグラフェン作品は「グリーンアイ」にノミネートされており、当然のことと言えます。

「有名な」グラフェンは決して偶然ではありませんが、それは確かに非常に魔法のような素材だからです。理論的には、二次元電子システムには多くのユニークな特性があり、量子ホール効果の研究は2つのノーベル賞を受賞しています。長年にわたり、人々は二次元電子システムに適した実験プラットフォームを探してきました。グラフェンは、最初の真の2次元システムです。その結晶格子は非常に規則的であるため、優れた実験材料であり、常温でも多くの興味深い量子現象を示すことができます。グラフェン研究の発展の進展により、他の二次元格子材料を得ることができます。

さらに重要なことに、グラフェンの電子の等価質量は、その独特のバンド構造のためにゼロです。これは、これらの電子（厳密に言えば、同等のキャリア）が光子のように相対性理論に従うことを意味しますが、それらの運動速度は光速の数百分の1にすぎません。たとえば、「分極」などの物理パラメータがあります。したがって、グラフェンは依然として量子相対主義を観察および検証するためのプラットフォームです。

アプリケーションの観点から、グラフェンは非常に魅力的な電子材料です。原子の層が1つしかないため、電子密度と導電率は印加電圧によって簡単に制御できます。そして、その結晶格子はほぼ完璧なので、電子は非常に速く移動します。現在、グラフェン製の三極真空管は1兆Hzの周波数に達しており、これは現在の通常のコンピューターのクロック周波数の数百倍です。この周波数は遠赤外線に接続されており、電子周波数と光周波数のギャップをなくしています。グラフェンはまた、ディスプレイや太陽電池に新しい技術オプションをもたらす可能性のある独自の光学特性を備えています。

私たちは皆「ムーアの法則」を知っており、半導体デバイスのサイズはますます小さくなると予測しています。しかし、デバイスのサイズが数百原子から数十原子と小さい場合、その材料は元の結晶ではなく、その電子特性はもはや同じではありません。したがって、人々は通常、ムーアの法則が終わりに直面すると予測しています。ただし、グラフェンの原子構造は非常に安定しており、六角形が1つしかない場合でも安定しています。したがって、グラフェンは、単一電子の三極真空管でさえ、真のナノコンポーネントを作る可能性があります。コンポーネントのサイズを小さくすると、同じサイズのチップでより多くのコンポーネントを製造できるようになり、チップの複雑さが増し、コストが削減されます。さらに重要なことに、コンポーネントのサイズを小さくすると速度と消費電力も増加するため、グラフェンは将来の電子製品で重要な役割を果たす可能性があります。

化学的には、極薄グラフェンは比類のない表面積を持っているため、反応性が高くなります。グラファイトの現在の用途の一部を置き換えて、優れた性能を提供できます。また、水素を貯蔵する材料として、エネルギー技術の将来に貢献したいと考えています。グラフェンの機械的強度と靭性も驚くべきものであり、鋼よりもはるかに強力です。したがって、それで作られた複合材料も有望です。

研究活動の重要性に加えて、2010年の物理学賞は「IgNobelPrize」の受賞者に最初に授与されました。ガンマラボラトリーズには「フライデーイブニングプロジェクト」の伝統があり、10分の1の時間を使って、面白いが必ずしも実りあるとは限らない、または必ずしも重要ではないことを行うことがわかっています。一度彼は反磁性効果を示すために強い磁場でカエルを吊るしました。この楽しい実験は、2000年のノーベル賞を受賞しただけでなく、教室でのプレゼンテーションとしても使用されました。グラフェンの作品は、同じ人物だけでなく、「FridayEveningProject」のリサーチフォームからのものです。

言い換えれば、グラフェンの発明も非常に偶然です。気まぐれのせいか、大学院生に単層の原子膜をグラファイトから機械的に分離するように頼んだところ、結果は失敗に終わった。たまたま、グループの何人かの人々は、テープでグラファイト表面をきれいにする方法を知っています：テープはグラファイト上に材料の薄い層を貼り付けることができます。それで彼らは、この材料の層をテープで繰り返し分離すると、それはどんどん薄くなり、最終的には原子の層が1つだけになるのではないかと考えました。もちろん、これはランダムな操作であり、結果として、グラフェンの単層が隠されている間に、さまざまな厚さのフラグメントの山になる必要があります。

ただし、問題は、この単層の製品を見つける方法です。このようなスケールでは、厚さを測定する唯一の方法は原子間力顕微鏡（AFM）です。この顕微鏡は、サンプルから一定の小さな距離を維持しながら、原子スケールの先端を備えたプローブでサンプルの表面をスキャンします。プローブのこの動きは、材料の厚さ曲線を表しています。しかし、精密な機械的スキャンのため、このイメージング方法は遅く、視野が狭い。 「干し草の山」スタイルでグラフェンを探すのは無能です。これには、他の微視的手法を一致させる必要があります。まず、彼らは光学顕微鏡を使用します。非常に薄いグラファイトの破片は透明で、通常の状態では見えません。ただし、二酸化シリコンの層でコーティングされたシリコンウェーハ基板上にフラグメントを配置すると、これらのフィルムは光の干渉に影響を与え、画像の色を変化させます。したがって、これらのフィルムは光学顕微鏡で観察することができます。もちろん、この方法では、非常に薄い、より厚い膜しか観察できず、原子の1つまたは複数の層だけがまだ見えません。これには別の顕微鏡が必要です：走査型電子顕微鏡（SEM）。このタイプの電子顕微鏡は、さまざまな厚さのフィルムを見ることができますが、フィルムの厚さを正確に測定することはできません。 2つの顕微鏡の画像は相互に確認されています。光学顕微鏡では見ることができず、電子顕微鏡で見ることができるものはすべて非常に薄いフィルムです。原子間力顕微鏡でこれらの領域を観察することにより、グラフェンの単層を見つけることができます。この検索プロセスには、3つの顕微鏡の「共同操作」が必要であることがわかります。そして、この研究室には、まさにこの共同作業の条件があります。幸いなことに、彼らが使用したシリコン基板がたまたま適切な厚さの二酸化シリコンを持っていたのはその後のことでした。厚みが少し変わると、グラファイトの破片は見えません。

しかし、ノーベル賞を受賞するには、運だけでは十分ではありません。グラフェンは製造されており、これはホットな話題ではないため、科学界から関心を引くことは容易ではありません。案の定、彼らの元の論文はネイチャーによって2度拒否されました。しかし、著者はあきらめませんでした。彼らは1年余りで、グラフェンが非常に有望な研究分野であることを証明する一連の興味深い実験結果を発表しました。これにより、何千人もの物理学者がグラフェンの研究を手元に置くようになり、この分野で急速な成長をもたらしました。

成功には「時間、場所、調和」が必要だとよく言われます。グラフェンの発見にとって、「時刻」は非常に不利です。人々は理論的にグラフェンの存在とさまざまな特性を予測しましたが、誰もグラフェンをうまく作ることができませんでした。二次元の結晶構造が不安定であるという熱力学的理論の予測さえあります。そのため、このトピックに注目している研究グループは世界でもわずかです。ジェムチームがグラフェン研究への資金提供を申請した場合、ほぼ確実に拒否されます。そして、彼らの成功は「場所」から来ています。彼らのラボには、製造とテストを行うための機器とテクノロジーがあります。さらに重要なのは、「人間の調和」です。彼らの研究者は、オープンマインドと永続的な熱意を持っています。この例はまた、優れた研究には必ずしも多額の資金と大規模なチームが必要ではないことを証明しています。 「意図しない柳」のパターンは、成熟した物理科学でも時代遅れではありません。企業の世界では、従業員が自分の興味のあるプロジェクトに時間の20％を費やすことができる80〜20のR＆Dモデルがあります。成功の最も有名な例はGoogleです。ガンマ研究所の「金曜日の夜」の伝統も同様です。

したがって、2010年のノーベル物理学賞は、重要な科学的研究の成果を認めただけでなく、独自の科学的研究方法も認めました。この賞はノーベルの歴史にユニークな痕跡を残すと信じています。

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