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【上級】今までの常識を破る「二次元磁石」の発見!?

2017/10/23

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二次元における物理は21世紀物理の大きなテーマですが、二次元の「磁石」はこれまで見つかっていませんでした。しかしついに今年、Natureで「二次元磁石を発見した」という報告がなされました。(2017年5月、米ワシントン大学のグループから報告)
今回はこの二次元磁石の発見の重要性について紹介します。

二次元物理とは?

次元」は物理においてとても重要な考え方です。次元を変えると、当たり前だと思っていた物理法則が成り立たなくなったり、反対に全く予期せぬことが起きたりするのです。その次元の違いを生かしたある研究が注目を集めています。それが二次元物理です。

私達が生活している空間はx軸・y軸・z軸の三つで表せるので、三次元空間と呼ばれます。それは、物の中を動いている電子から見た世界も同様です。しかし、21世紀の初めに、物を原子レベルまで薄くする技術が発見されます。(2010年にノーベル賞受賞。)すると、そのペラペラに薄くなった物の中を動く電子は平面内に閉じ込められてしまい、電子から見た世界は「二次元」になります。その電子が引き起こす新しい物理現象を探求するのが「二次元物理」の研究なのです。
(関連記事:グラフェンを用いたスピン流デバイス

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二次元に閉じ込められた電子は、沢山の面白い物理現象を引き起こす

 

二次元の「磁石」なんてありえない?

二次元の舞台にあらゆる分野の研究者が挑戦し、沢山の研究がされてきました。その一方で、二次元での「磁石」、より詳しく言うと二次元での「磁性」の研究はこれまでほとんど報告がありませんでした。なぜでしょうか?

答えは簡単です。二次元の磁石は存在しないと思われていたのです。

1966年に、マーミンとワーグナーの二人の理論家によってある重要な定理が発見されました。その定理によると、「二次元の物は磁石としての性質は持ち得ない」ということが導かれます。より具体的には、二次元では磁石のN極・S極の位置、すなわち磁石の方向が常に揺らいでいるために、二次元のものは磁石になれないのです。(ちなみに、本論文と同時にNature誌で発表された別の研究では、この定理を逆手に取って、外部からの少ないエネルギーで性質を制御できる「柔らかい」磁石が発見されました。)

三次元の物では、S極・N極が固定されて磁石になれる(左)
一方で、二次元の物ではS極・N極が揺らいでしまい磁石になれない(右)

 

やっぱり二次元磁石はあった!

「二次元磁石は無い」。そう思われていた背景の中、本論分ではヨウ化クロム(III)という物質が二次元磁石であるという報告がされました。ヨウ化クロム(III)という物質は層と層が積み重なった構造をしていますが、驚くべきことに、この物質を一層まで薄くしても磁石であり続けたというのです。

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一層のヨウ化クロム(III)を取り出しても磁石であることが明らかになった = 二次元磁石の発見

一層の物質というのは、電子から見ると完全な二次元です。それでもなお磁石であり続けたということは、すなわち「二次元磁石」を発見したということになります。

二次元磁石の起源

なぜマーミン・ワーグナーの定理に反するような結果が得られたのでしょうか?実は、マーミン・ワーグナーの定理では、とある「仮定」をもとに証明が行われました。それは、「電子から見ると左右・前後・上下は全て同じに見える」という仮定です。

しかし、現実ではこの前提が必ずしも成り立ちませんその一つの例が、今回のようなペラペラな二次元物質です。二次元物質の中にいる電子からすると、原子がひしめいているように見える方向と、原子がいないように見える方向があります(図)。このとき、「どの方向を向いても同じに見える」という前提が崩れてしまうので、マーミン・ワーグナーの定理が成り立たなくなるというわけです。とはいえ、このあたりの理解はまだ完全ではありません。今回の発見をきっかけに理解が深まることが期待されます。

マーミン・ワーグナーの定理では、電子からどの方向も同じに見えることを仮定している(左)。
しかし、今回のような二次元物質では、どの方向を見るかで見え方が変わる(右)

二次元磁石で広がる世界

今回の発見の先には何が待っているのでしょうか?もちろん、二次元磁石の正体をより深く解明することは従来の物理学の知見を広げることになるでしょうから、純粋に学問的な意味で今後への期待が高まります。それだけでなく、この二次元磁石を私達の生活に役立てることにもさっそく注目があつまっています。 なぜなら、この二次元磁石と他の二次元の物質を重ねることで、まったく新しい素子(パソコンなどの部品となるもの)を作れるようになると期待されているからです。
今回の発見は、次世代の技術への大きな一歩になるでしょう。

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