日本的NTT和物質材料研究機構（NIMS）與法國巴黎薩克萊大學、核能和替代能源委員會（CEA）及奈爾研究所組成的聯合研究團隊，全球首次在單層石墨烯中觀測到了巨大的抗磁效應，還在幾何相（拓撲）的作用方面取得了新的實驗發現。該成果證明了拓撲在石墨烯中的重要作用，相關内容已於12月10日線上發佈在美國科學期刊《Science》上。
研究概略圖：利用配備巨磁電阻（GMR）元件的磁量訊號轉換器觀測單層石墨烯的巨大反磁性（提供；NTT先端技術綜合研究所）
反磁性是針對外部施加的磁場發生逆向磁化的現象。石墨烯是將石墨減薄至1個原子層厚的物質，石墨烯中電子的能量與動量之間存在名爲狄拉克錐的三角錐單點接觸的特殊關係。60多年前就在理論上預測石墨烯的這個接觸點（狄拉克點）表現爲幾何奇點，會產生巨大的反磁性。
該理論顯示，對於溫度爲零且沒有雜質的理想石墨烯，其反磁性在狄拉克點是無限大的。然而，由於實驗總是在有限的溫度下進行，而且元件中總是存在雜質，所以該理論從未被證實。
因此，在此次的研究中，聯合研究團隊透過用六方氮化硼保存石墨烯的兩面，製作出了極其潔淨的石墨烯元件。這是本次觀測取得成功的第一個關鍵點。然後，研究團隊將該石墨烯元件配置到應用GMR效應的磁量訊號轉換器上，測量了抗磁響應。
發生抗磁響應時，石墨烯中的軌域的旋轉會產生磁場，磁場中與石墨烯面平行的分量會改變GMR元件使用的鐵磁薄膜的磁化方向。
在GMR元件中，構成元件的兩層鐵磁薄膜的相對磁化方向會改變電阻，因此能以電訊號的形式觀測抗磁響應。
在實際的測量中，透過邊向石墨烯施加垂直度方向的磁場邊測量GMR元件的電阻變化，對石墨烯的抗磁響應產生的磁場進行了電氣觀測，根據測量結果，全球首次成功證明了狄拉克點會產生極大的抗磁響應。
石墨烯的能量波數色散關係。可透過柵極電壓調節電子的密度和電荷的正負（電子或電洞），中間存在狄拉克點。（提供；NTT先端技術綜合研究所）
由於抗磁響應會產生垂直度於石墨烯面的磁場，因此直觀上認爲適合觀測垂直度方向的磁場，但會被爲引起反磁性而施加的外部磁場掩蓋，難以精確測量。
因此，此次透過利用基於GMR元件的高靈敏度磁量訊號轉換器測量水平方向而非垂直度方向的磁場，成功觀測到了石墨烯產生的退磁場。這是觀測取得成功的第二個關鍵點。
另外，聯合研究團隊還應答，該測量結果與考慮實際實驗系統的理論模式明顯一致。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
