不安定で作れなかった「ホウ素版グラフェン」を3次元結晶の表面で実現 ― 次世代量子材料開発の加速が期待される新しい設計手法 ―

20206-07-02 東北大学

東北大学を中心とする共同研究グループは、これまで単独では構造的に不安定で作製が困難だった「ホウ素版グラフェン(ボロフェン)」を、三次元結晶LaRh₃B₂の表面を利用して安定化させる新たな材料設計手法を開発した。結晶内部からホウ素ハニカム層を取り出すことで、従来実現が難しかった二次元ボロフェンを形成し、その電子状態を詳細に解析した結果、フェルミ準位近傍に電子状態密度が急増するvan Hove特異点が存在することを確認した。さらに、本来六方対称である電子分布が自発的に特定方向へ偏る「電子ネマティック状態」の観測にも成功し、電子相関が極めて強い量子状態であることを明らかにした。これらの成果は、不安定な二次元材料を安定な三次元結晶から創製する新しい設計指針を示すとともに、超伝導や量子相転移などの強相関電子現象の解明、次世代量子材料や低消費電力電子デバイスの開発を加速する重要な成果である。

不安定で作れなかった「ホウ素版グラフェン」を3次元結晶の表面で実現 ― 次世代量子材料開発の加速が期待される新しい設計手法 ―
図1.
(a)原子が蜂の巣状に配列したハニカム格子。
(b)ハニカム格子のエネルギーバンド。ディラック電子や鞍点といった特徴的構造を示す。
(c)(b)に対応する、エネルギーと状態密度の関係。鞍点のあるエネルギーに状態密度の異常=van Hove特異点が現れる。
(d)LaRh3B2の結晶構造。La/B層とRh層が交互に積み重なる構造を持つ。
(e)(d)からLa/B層を抜き出したもの。B原子のハニカム格子が見られる。

<関連情報>

強相関2次元ハニカムホウ素の実現 Realization of strongly correlated 2D honeycomb boron

Takemi Kato, Tomonori Nakamura, Kosuke Nakayama, Takumi Osumi, […] , and Takafumi Sato
Science Advances  Published:1 Jul 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aee3116

Abstract

Borophene, a two-dimensional (2D) boron sheet, has recently gained considerable attention as a postgraphene material owing to its unique properties, such as intrinsic metallic character, lightest element monolayer structure, and high-frequency phonons. These features, together with its theoretically predicted high density of states, make borophene an excellent platform for investigating various quantum phenomena. However, the realization of emergent phenomena is hindered by fabrication challenges and inherently weak electronic correlations within the s and p electron system. Here, we demonstrate a strongly correlated 2D electronic state derived from a honeycomb boron lattice exposed at the surface of ternary boride LaRh3B2. Using angle-resolved photoemission spectroscopy, we uncover the extended saddle-point van Hove singularity near the Fermi level, which is linked to the substantial lattice expansion and many-body interaction. Moreover, scanning tunneling microscopy reveals the electronic nematicity, which likely originates from the saddle-point instability. Our findings open a pathway to exploring the exotic correlated phenomena in boron-based 2D systems.

0703金属材料
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