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初貝 安弘
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Web 記事 - 201309のエントリ

久しぶりにグラフェンとは?

カテゴリ : 
研究解説:  » グラフェン
執筆 : 
hatsugai 2013-9-16 23:19
グラフェンとは炭素原子が蜂の巣格子状に結晶化した2次元つまり絨毯状の 物質である。単体の炭素にはグラファイト、ダイヤモンド、C60等 幾つもの同素体 が存在するが、 グラフェンもその1つである。 蜂の巣格子は 周期格子であるが、ある単位胞を2次元の並進操作で並べて蜂の巣格子を つくるとき、単位胞には必ず2種類の原子が含まれる。よって固体物理学の一般論に 従えば、そのエネルギーバンドは2つからなり、中性のグラフェンは 半導体(絶縁体)となるはずであるが、 実際のグラフェンは、種々の意味で対称性が 高く、そのバンドギャップは消失し、ゼロギャップ半導体となる。 よって通常の半導体において使われる有効質量近似は破綻し その有効理論は P. Dirac が特殊相対論と整合的な量子力学のために導入したDirac 方程式の2次元版 となり、 特異な物理現象が期待されていた。 その一方で、ランダウ以来の結晶の安定性の理論によると1,2次元のマクロな完全結晶は 熱力学的に不安定であり、存在し得ないと考えられていた。 それにも、関わらず英国マンチェスター大学の A.Geim と K. Novoselov は剥離法という 驚くべき手法で実際にマクロで単層のグラフェンを合成することに成功し、 その功績により2010年のノーベル物理学賞を受賞した。百聞は一見にしかずである。 ゼロギャップ半導体である グラフェンのフェルミエネルギー近くでの エネルギー分散は$E=\pm cp$ と相対論的な形となるが「光速$c$」は光の速度$c_{light}$ではなく$c\sim c_{light}/300$と実際の光速より大幅に小さい(遅い光!)。 よって、グラフェン中の電子が動き回る世界は、 まさに G. Gamow の不思議の国のトンプキンスが住む 「遅い光」の世界である。グラフェンで観測された原子崩壊はその一つの例である。
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