学術変革領域研究 2.5次元物質科学


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領域紹介

領域代表挨拶

 

 

 

領域代表者
九州大学
グローバルイノベーションセンター
吾郷 浩樹

 物質科学は、多様な機能を備えた数多くの物質を創出し、我々の生活を大きく支え、かつ豊かにしてきました。私たちは「2.5次元物質」という独自の視点に基づいて研究を展開し、物質科学にパラダイムシフトをもたらすような新たな学理を構築して、さらには将来的な社会変革につなげたいと考え、本領域を立ち上げました。以下に背景と目的を記します。

 「グラフェン」と呼ばれる原子一個分の厚みの究極的に薄い炭素シートが2004年に報告され、その中を移動する電子が物質中で最高の速さ(キャリア移動度)を示すなど興味深い物性が見出され、大きな注目を集めました。その後、半導体、絶縁性、超伝導体、強磁性体といった様々な特性を示す原子厚みの「二次元物質」が作られ、研究が非常に活発に行われるようになりました。また、半導体デバイスや各種センサー、タッチパネル、バッテリーなどの幅広い応用研究も大きく期待されています。

 二次元物質そのものも大変興味深いですが、複数の二次元物質を組み合わせると、非常に大きな広がりが出てきます。本領域では、様々な組成をもった二次元物質の重なりやひねり、層の間の空間、二次元物質と他の次元の物質との融合、実社会(三次元)への応用など、無限の可能性を領域では探求していきます。二次元物質がもつ多くの自由度や可能性を0.5次元と象徴的に表して、「2.5次元物質」科学という新たな学術研究を我が国から発信していきます。本領域を構成する日本を代表する研究者間の有機的で建設的な共同研究を通じて、「2.5次元物質」という新たな視点に基づいた学術研究を展開することで、世界のリードする成果を得て、物質科学に変革をもたらしていきます。

 次に、「2.5次元物質」の可能性について、いくつか例を挙げて説明します。一枚のグラフェンはバンドギャップのない金属的な性質を示しますが、二枚のグラフェンの向きを揃えて重ねると電子構造が変化して半導体に変化させることができます。さらに興味深いことに、積層角度をたった1°ずらして重ねると超伝導状態を示すようになります。また、二枚の原子シートを角度をつけて重ねるとモアレと呼ばれる長距離の秩序構造が表れて、非常にユニークな物性を示すようになります。このように、二次元物質から「2.5次元物質」を作ると大きな飛躍が見られます。

 最近では、二次元物質の操作技術も進展し、人為的に様々な二次元物質を重ねることもできるようになってきました。これは層と層の間に働く非常に弱いファンデルワールス力を人口的に制御するということにつながります。つまり、これまで共有結合やイオン結合に基づいて物質を合成してきましたが、ファンデルワールス力の制御という新しい合成法により、思いもつかない物質を作り出す可能性が出てきました。さらに、重なった層と層の間には、きれいに広がった二次元のナノ空間があり、そこに分子やイオンを挿入すると、三次元の世界では見られない構造が得られます。これは、新物質の創出や新物性の発現などにつながるものと期待できます。

 このように「2.5次元物質」研究を推進するため、本領域では
・二次元物質そのものの合成(新物質合成、高品質化、ウェハー合成)
・ファンデルワールス力の制御による新しい物質創造とそこから広がる科学
・二次元ナノ空間をベースとする科学
・社会変革につながる応用研究
といったテーマについて、オールジャパンの体制で取り組んでいきます。

 日本のポップカルチャーで2.5次元という言葉が使われることがあるそうです。これはアニメをミュージカルにするなど、次元を超えた表現であり、このような日本独自の発想を科学でも展開していきます。また、2019年に始まった新型コロナのパンデミックで、オンラインでのコミュニケーションが世界中で行われるようになり、社会構造そのものも3次元と2次元が融合しつつあります。科学の分野においては、我々の取り組む「2.5次元物質」の研究によって、今後の科学のフロンティアを切り開いていくとともに、デバイスやエネルギーなどの研究を通じてこれからの社会に貢献していきたいと強く考えています。

 2021年9月から始まりました4年半のプロジェクト「2.5次元物質科学:社会変革に向けた物質科学のパラダイムシフト」を領域メンバー全員で、全力で取り組み、新たな学理を構築するとともに、社会にも役立てていきます。皆様のご理解とご協力を何卒よろしくお願い申し上げます。