単原子層を積み重ねて、未知の量子輸送現象に挑む。｜ UTOKYO VOICES 075

町田の研究室では日々、原子一つ分の厚みしかないシート状の物質「単原子層」をさまざまな組み合わせで積み重ねている。単原子層は、重ね方次第でこれまで誰も見たことがない素材になる。町田が探している“宝”は、その薄い薄い膜の中にある。

たとえば、炭素原子の単原子層「グラフェン」は、炭素原子が多層に重なった「グラファイト」とは本質的に異なる物性が現れる。さらに単体では超伝導にはならないが、なんと、1.1度だけずらして重ねると超伝導になるという。単原子層を積み重ねた構造（薄膜ヘテロ構造）には時に、これまでの常識では考えられなかったことが起きるのだ。

「物質の中で電子などの量子が移動する様子を『量子輸送現象』といいますが、超伝導はその一つ。1980年に発見されて以来、熱い注目を集めている『量子ホール効果』と呼ばれる現象もそうです。この量子輸送現象に興味があるんです。さまざまな薄膜ヘテロ構造の中の量子の動きを観察して、まだよくわかっていない物理現象の理解や、未知の現象の発見につなげたいと思っています」

物理学の最先端で研究にいそしむ町田だが、高校を卒業するまでは数学者になりたいと考えていた。

「でも、東大に入ったら自分は数学じゃまるで勝負にならないことに気づいて、物理学に“逃げた”んです（笑）。物理の実験なら、頭の切れだけではなくて、一日16時間でも実験を続けられる体力とか、手先の器用さとか、経験の蓄積などのいわば『総合力』で勝負できると思って」

ただ、学部を卒業したものの、修士課程でなかなか成果が出ない。博士課程に進む自信が持てずに就職したが、すぐにアカデミアに戻りたくなって博士課程に入り直した。「振り返れば、逃げて逃げてここまでやってきました（笑）」。

しかしそのおかげというべきか、これまでの研究領域は低次元電子系、超伝導、半導体、スピン、光、量子ビットなど多岐にわたる。この多様性が結果的に町田の武器となり、物理学者としての「総合力」を支えている。

いま力を注いでいるファンデルワールスヘテロ構造の研究では、グラフェンにグラフェンを重ねるだけでなく、グラフェンに超伝導素材や半導体を重ね合わせるとまた別の新たな現象が観察できる。これまでになかった機能をもつ素材も生まれるかもしれない。

「グラフェンと強磁性体を組み合わせることもできます。磁性のもととなっているのは電子のスピン。以前のスピンの研究がここで生きています」

さまざまな組み合わせを試すうちに、もしかしたら、量子ホール効果に匹敵する、世界中の物理学者があっと驚くような現象も出てくるかもしれない。「宝探しみたいなものです」と町田は笑う。

頭の良すぎる人には、宝探しはおそらく向いていない。しかし町田は「泥臭さとフットワークの良さが僕の身上みたいなものですから」と、寄り道も撤退もいとわず、素材や人との偶然の出会いを味方にして、宝探しの旅路を飄々と歩んでいく。