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グラフェンは炭素原子が蜂の巣格子状に结合した原子一层からなる物质である(2010年のノーベル物理学赏の対象)。グラフェン中の电子は、奇妙にも相対论的（ディラック）粒子で质量がゼロの粒子（ニュートリノに似る）のように振る舞い、またその速度は、固体中の粒子としては非常に速い(光速の约1/300)。これらの性质のため、グラフェンは次世代の高速电子デバイス材料の有力候补として期待されている。

c Ryo Shimano. グラフェン（炭素原子が蜂の巣格子状に結合した物質）で、量子ホール効果によって生じるファラデー効果の概念図。わずか一層の炭素原子によって光波の振動方向（偏光面）が回転する。回転角は物理学の基本定数である微細構造定数を単位として、グラフェン特有の半整数値をとる(光学量子ホール効果)ことが初めて観測された。

グラフェンが示す最も興味深い物理現象の一つに半整数量子ホール効果がある。ホール効果とは、試料に磁場をかけ、磁場の向きと垂直に電圧をかけたときに、電圧と磁場の双方に直交した方向に電圧(ホール電圧)が発生する現象である。ホール電圧と電流の比例係数であるホール抵抗は古典電磁気学では磁場に比例するが、強い磁場下の2次元電子系では、 (量子力学的な理由のために物質に因らず！) 物理学の基本定数h/e²~25.8kΩ（hはプランク定数、eは電気素量) の整数分の1倍という跳び跳びの値になる。これが整数量子ホール効果であり、今日では電気抵抗（Ω）の標準にも使われている。グラフェンでは、この量子ホール効果がディラック粒子特有な半整数値をとる。

东京大学大学院理学系研究科の岛野亮准教授のグループは、青木秀夫教授、狈罢罢物性科学基础研究所の日比野浩树グループリーダ、理化学研究所の森本高裕基础科学特别研究员らと共同で、グラフェンがテラヘルツ波という、光に近い高周波数の电磁波に対しても明瞭に量子ホール効果を示すことを、ファラデー効果という光学现象を利用して観测することに成功した。

ファラデー効果とは磁场中にある物质を透过した光の振动方向（偏光）が回転する现象であり、光アイソレータなどに利用されている。通常、回転角は磁场の强さと物质の厚さに比例する。仅か炭素原子一层のグラフェンでもファラデー回転が観测されたが、回転角は磁场に単纯に比例するのではなく、物理学の基本定数である微细构造定数を単位として半整数に対応する跳び跳びの値をとることが観测された。この现象は、直流电気伝导に対する量子ホール効果の“光版”（光学量子ホール効果）と言えるものであり、理论からの期待とも合致する。本研究はグラフェンを、テラヘルツ波の偏光を超高精度で制御する素子など、新しい光エレクトロニクス材料として、しかも低い磁场や室温という普通より缓い条件でも応用する可能性に道を拓くことが期待される。

论文情报

R. Shimano, G. Yumoto, J. Y. Yoo, R. Matsunaga, S. Tanabe, H. Hibino, T. Morimoto, H. Aoki,
“Quantum Faraday and Kerr rotations in graphene”,
Nature Communications Online Edition: 2013/5/14, doi: 10.1038/ncomms2866.

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