粘着テープでぺりぺりはがすと……磁気量子センサーになる薄膜：30mTの磁場変化にも敏感に反応

千葉大学と高知工科大学、物質・材料研究機構（NIMS）の研究チームは、セレン化ニオブ（NbSe2）結晶表面に貼り付けた粘着テープを剥がすと、表面の原子層がひずみ、ハニカム格子状の二次元電荷密度波（CDW）が出現することを発見した。しかも、この表面に弱い磁場を加えると一次元CDWに切り替わることが分かった。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

構造的なひずみが電子状態や特性に大きな影響を及ぼす

　千葉大学と高知工科大学、物質・材料研究機構（NIMS）の研究チームは2025年7月、セレン化ニオブ（NbSe₂）結晶表面に貼り付けた粘着テープを剥がすと、表面の原子層がひずみ、ハニカム格子状の二次元電荷密度波（CDW）が出現することを発見したと発表した。しかも、この表面に弱い磁場を加えると一次元CDWに切り替わることが分かった。この現象は、NbSe₂薄膜が、高感度の磁気量子センサーになることを示すものだという。

　物質を限界まで薄くしていくと、最終的には「原子一層」となる。原子レベルまで薄くすると、三次元結晶とは異なる特性が発現する。研究チームは、走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、2H-NbSe₂の表面を観察し、物質を薄くしていくと特性がどのように変化するかを調べた。

　実験では、結晶内部を透過型電子顕微鏡（TEM）で観察した。これにより、Se原子層がNb原子層を上下でサンドイッチ状に保護している構造であることが分かった。結晶内ではこれらが積層した構造になっており、Se層とSe層の結合部が切れることで物質を剥がすことができる。この時、表面に残った薄膜は、ひずみを伴い「うねり」を持った形状となる。

NbSe₂薄膜表面に貼り付けたテープをはがす時の断面図とTEM像［クリックで拡大］ 出所：千葉大学他

　この「うねり」やそれに伴う構造的なひずみが、薄膜の電子構造に影響を及ぼすという。STM測定を行ったところ、生じたひずみによって新たなCDWが出現することを確認した。三次元結晶では強い磁場を加えてもCDWは変化しなかった。ところが、NbSe₂薄膜の電子構造だと、約30mTというわずかな磁場変化にも敏感に反応し、その周期的な構造を変化させることが分かった。

左はひずんだNbSe₂薄膜表面の二次元電荷密度波、右は弱い磁場印加により一次元電荷密度波に変化した画像［クリックで拡大］ 出所：千葉大学他

　今回の研究成果は、千葉大学大学院工学研究院の山田豊和准教授、同大学院融合理工学府博士後期課程の市川稜氏、高知工科大学の稲見栄一教授および、NIMSの高橋有紀子研究員らによるものである。