グラフェンは炭素原子が蜂の巣状に並んだ一層だけの結晶で、理論的には長く予言されていましたが、実際に単離できるとは思われていませんでした。二人は“メカニカルエキスフォリエーション”という極めてシンプルな方法——セロハンテープでグラファイトを薄くはぐ操作——で実験を繰り返し、原子一層膜を得ることに成功しました。その後、ホール効果測定などを行い、電子が有効質量ゼロのディラック粒子として振る舞い、キャリア移動度がシリコンを大きく上回ることを示しました。この成果は、高速トランジスタや透明導電膜など次世代エレクトロニクスの基盤技術につながるとともに、量子ホール効果など基礎物理の検証にも役立っています。さらに、二次元材料研究という新しい学問分野を切り開く契機となりました。

2004年にScience誌へ掲載された論文で、彼らは酸化シリコン基板上に移した極薄フレークを光学干渉コントラストで識別し、AFMとRaman分光で単層であることを確定しました。バンド構造はK点付近で線形分散を示し、有効質量ゼロのチャージキャリアがフェルミ速度約1×10^6 m/sで移動するため、室温でのキャリア移動度は2×10^4 cm^2/Vsを超えました。さらに最低伝導度4e^2/hの存在や整数量子ホール効果の観測によって、ディラックフェルミオン系としての特徴が裏付けられました。この電子特性と高い引張強度（130 GPa）、熱伝導率（>3000 W/mK）、光透過率97.7%の組み合わせは、RFデバイスやフレキシブルエレクトロニクス、複合材料強化など多岐にわたる応用研究を刺激しました。加えて、グラフェンを基板として多層のファンデルワールスヘテロ構造を積層する概念が生まれ、二次元材料物理学のプラットフォームが形成されました。

機械的エキスフォリエーション後のモノレイヤーは300 nm SiO₂上で~2.3%の光吸収を示し、πパラメータの普遍性α≈π/137と整合しました。キャリア散乱源を抑えたh-BN封止試料ではμ>10^5 cm^2/Vsが達成され、整数量子ホール効果が4 Kでなく室温近傍でも観測されています。ディラック点近傍のシュブニコフ–ドハース振動はBerry位相πを示し、Klein tunnelingによるp-n整流特性も報告されました。EPGおよびDFT計算は曲率誘起バンドギャップが<10 meVと微小であることを示し、スピン軌道相互作用も~10 µeVと弱いため、長いスピン緩和長が期待されます。こうした特性はトポロジカル量子計算素子や高周波プラズモニックデバイス開発に寄与し、またvan der Waals epitaxyによりMoS₂/graphene/h-BN超格子やtwist-bilayerにおけるフラットバンド超伝導など、強相関物性の新奇現象探索を加速させました。