小林研介（大阪大学大学院理学研究科教授）と松尾貞茂（東京大学大学院工学系研究科助教）は、小野輝男（京都大学化学研究所教授）および塚越一仁（物質・材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点主任研究者）らの研究グループとの共同研究により、金属と半導体の両方の性質を持つグラフェン 中に形成されたpn接合 での量子ホール状態 における電流ゆらぎ を精密に研究し、pn接合によって電子が接合の左右に分配される様子（電子分配過程 ： 図1 左上図を参照）を、電流ゆらぎとして初めて観測することに成功しました。また、pn接合がない際には、異なる量子ホール状態の接合があった場合でも電子が分配されないことも同時に明らかになりました。

グラフェンは、特異な電子構造に起因する豊富な電子物性とその応用の可能性のため、非常に注目を集めている物質です。今回、グラフェンに特有の電子分配過程を実験的に検証した結果、これまでの理論が裏付けられました。このことは、グラフェンに対する理解が更に深まったことを意味し、グラフェンの将来性を広げるものです。

今後、本成果が、グラフェンの持つ様々な電子の自由度（スピン自由度やバレー自由度）に依存したユニークなpn接合での量子ホール状態の電子分配機構の解明、pn接合を用いたグラフェン量子ホール状態の電子干渉素子 の実現などに役立つことが期待されます。

本研究成果は、2015年9月4日（英国時間）に「Nature Communications」のオンライン版に発表されました。

pn接合とは、半導体において極性の異なる2種類のキャリア（電子と正孔）からなる領域の間で形成される接合のことであり、ダイオードをはじめとする様々な電子デバイスで利用されています。2004年の報告以降、新規半導体材料として期待されているグラフェンにおいてもpn接合を形成することができますが、グラフェンの場合には、その特異な電子構造を反映した特色あるpn接合となることが知られており、その電子輸送の研究がこれまで盛んに行われてきました。特にグラフェンでは、強い磁場中におくことによって、これまで実現が困難であった量子ホール状態にあるpn接合の研究が可能となります。

これまでの伝導度測定の結果、量子ホール状態にあるグラフェンpn接合では、量子ホール状態が完全に混じりあう結果、接合の両側への電子の分配過程の存在が推察されていました。しかし、この電子分配過程を直接的に実証した報告はありませんでした。

本研究チームは、グラフェンpn接合における電子の分配の様子の直接観察とその機構の解明のため、電流ゆらぎ（ショット雑音）測定を行いました。ショット雑音とは、電流の実体が、素電荷（e=1.602×10 ^-19 クーロン）を持つ電子という単位により構成されているために起こる電流のゆらぎ（雑音）のことです。量子ホール状態では、電流は一方向にのみしか流れることを許されず、ゆらぐことができないためにショット雑音は観測されません。このことは、すでにガリウムヒ素（GaAs）系等の半導体素子において、すでに知られていました。しかし、量子ホール状態にあるグラフェンpn接合では、接合において量子ホール状態が完全に混合する結果、電子が接合を確率的に通過するという電子分配過程が生じるため、電流にゆらぎ（ショット雑音）が発生することが期待されます。ここに述べた、量子ホール状態混合によるショット雑音の発生は、2008年に理論的な予想がなされていました。

本研究では、ゲート電極を組み合わせることによりpn接合を形成可能なグラフェン試料を作製し、低温強磁場下において高精度な電流ゆらぎ測定を行いました。その結果、 図1 に示すように、量子ホール状態でpn接合のある場合にはショット雑音が発生するのに対し、pn接合のない場合にはショット雑音が発生しないことを明らかにしました。また、観測されたショット雑音の大きさが、理論予想とほぼ一致することも実証しました。これらの結果は、量子ホール状態にあるpn接合が電子を分配するということを世界で初めて直接的に示した成果であり、グラフェンpn接合で起こる電子分配の微視的特性を初めて定量的に確立した成果です。

図1　ショット雑音の測定結果
pn接合のある場合（赤いデータ）は電子分配過程があるためショット雑音が生じるが、pn接合のない場合（紫のデータ）ではショット雑音が生じない。

本研究は、量子ホール状態にあるグラフェンにおいてpn接合が電子分配機構を持つことを初めて直接的に実証しました。この結果は、ギャップのないグラフェンでは実現困難な量子ポイントコンタクトに代わる電子分配機構としてpn接合が利用可能であることを示しており、グラフェンを用いた電子干渉デバイス等の実現につながることが期待されます。また、高移動度のグラフェンではpn接合でのキャリアの振る舞いがスピン自由度やバレー自由度に依存することが報告されており、これらの特性の解明と制御へと発展していくことが期待されます。

本研究成果は、2015年9月4日（英国時間）に「Nature Communications」に発表されました。

タイトル:“Edge Mixing Dynamics in Graphene p-n Junctions in the Quantum Hall Regime”
著者名:Sadashige Matsuo, Shunpei Takeshita, Takahiro Tanaka, Shu Nakaharai, Kazuhito Tsukagoshi, Takahiro Moriyama, Teruo Ono, and Kensuke Kobayashi

なお、本研究成果と密接に関連する成果が、NTTとフランスの合同チームから、同時に「Nature Communications」に発表されます。本研究チームとは完全に独立に行われた研究ですが、我が国の2つの研究チームから、世界初の研究成果が同時に発表されることは特筆すべきことです。

本研究の一部は、日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究(S) (No.26220711)、文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「ゆらぎと構造」（No.25103003）および「原子層科学」（No.25107004）の補助を受けて行われました。