Pablo Jarillo-Herrero は、朝のランニングにエネルギーの一部を注ぎ込み、驚いた歩行者をかわしながら高速で走り、徐々に遠くに姿を消していきます。彼がスポーツ コート、スラックス、ドレス シューズを身に着けていなかったら、間違いなくもっと速く動いていたでしょう。しかし、彼が装備と道路に欠けているものは、彼が表彰台に上がるのを待っている聴衆が満員であるという知識に駆り立てられて、決意で補っています.
Jarillo-Herrero は怠け者ではありませんでしたが、2018 年 3 月に MIT の彼の研究室がツイスト 2 層グラフェンで超伝導性を発見したという劇的な発表以来、彼の活動はいくつかのレベルに跳ね上がりました。 、回転させて 2 つのレイヤーを少しずらしたままにします。
この発見は、炭素原子の無傷のシートであるグラフェンがグラファイトのブロックからスコッチ テープで持ち上げられるという 2004 年の発見以来、固体物理学の分野を襲った最大の驚きでした。ノーベル賞。そして、物性物理学者の間で熱狂的なレースに火をつけ、MIT の結果を調査、説明、拡張しようとしました。この結果はその後、いくつかの研究室で再現されました。
超伝導の観測は、物理学者にとって予想外の遊び場を生み出しました。実際の目標は明らかです。高温超伝導への道筋を明らかにすること、エレクトロニクスに革命をもたらす可能性のある新しいタイプのデバイスを刺激すること、あるいは量子コンピューターの出現を早めることさえあります。しかし、より微妙に、そしておそらくもっと重要なことに、この発見は科学者にエキゾチックな量子効果を探索するための比較的単純なプラットフォームを与えました.コロンビア大学の物理学者で、この研究を最初に複製した一人であるコーリー・ディーンは、次のように述べています。
これらすべてにより、Jarillo-Herrero は、「ツイストロニクス」という独自の名前をすでに獲得している真っ赤なフィールドの前に突然出ることの要求に追いつくのに苦労しています。 「おそらく 30 以上のグループがそれに取り組み始めているでしょう」と彼は言いました。 「3年で100になります。フィールドは文字通り爆発しています。」まあ、文字通りではないかもしれませんが、他のすべての方法ではそうです。彼は、彼のテクニックを共有したり、講演をしたりしてほしいというリクエストであふれかえっているため、彼の講演スケジュールはほぼ 3 倍になりましたが、招待の流れにはほとんど影響がありませんでした。彼の学生でさえ、講演の申し出を断っています。 3 月のアメリカ物理学会の年次総会では、彼のセッションだけが立ち見になり、ドアの外に群衆が残され、講演の一部をキャッチしようとしていました.
驚くべき観察結果を解き明かすために、彼のグループは、ほぼ正確に 1.1 度の層の正確で、非常にとらえどころのないねじれを突き止めなければなりませんでした。その「魔法の」角度は、ねじれた二層グラフェンに特に重要であると長い間疑われていました。しかし、それになるとは誰も予想していませんでした 面白い。シンガポール国立大学の物理学者であるアントニオ・カストロ・ネトは、「私たちが知っていることに基づいて超伝導を予測するのはクレイジーだったでしょう。 「しかし、科学は何かを理解したときではなく、実験でまったく予想外のことが起こったときに前進します。」
信念を超えて
カストロ・ネトは知っているだろう。 2007 年に彼は、ずれている 2 つのグラフェン シートを一緒に押すと、いくつかの新しい特性が得られる可能性があると示唆しました。 (彼は後に、グラフェンが特定の条件下で超伝導になる可能性があることを示唆しました。「私は2つのアイデアを一緒にしたことはありません」と彼は物欲しそうに言いました。)
米国とヨーロッパのいくつかのグループは、すぐにねじれた二層グラフェンの特性を研究していました.2011年、テキサス大学オースティン校の理論物理学者であるアラン・マクドナルドは、特定の「魔法の角度」で興味深い動作を探すよう同僚に促しました。 」他の理論家と同様に、マクドナルドは 2 枚のシートのずれが角度に依存するモアレ パターン、つまり比較的巨大なセルの周期的なグリッドを作成する方法に焦点を当てていました。各セルは 2 枚のシート内の数千のグラフェン結晶セルで構成されています。しかし、モアレセル内の何千もの原子によって電子がどのように影響を受けるかを決定するという非常に複雑な計算に他の人が苦労していたところで、マクドナルドは単純化する概念にたどり着きました.
彼は、モアレセル自体が、それを構成する原子の詳細とは多かれ少なかれ独立して、回転角度によって厳密に変化する 1 つの特性を持っていると考えました。この特性は重要なものでした。セル内の自由電子が 2 枚のグラフェン シート間をトンネリングするために獲得または放出しなければならないエネルギー量です。そのエネルギー差は、通常、シート間のトンネリングに対する障壁として機能するのに十分でした.しかし、マクドナルドは、回転角度が大きい角度から狭くなるにつれて、トンネリング エネルギーが縮小し、最終的にちょうど 1.1 度で完全に消失すると計算しました。
そのトンネリングエネルギーが小さくなると、シート内の電子は減速し、互いに強く相関するようになります。マクドナルドは、その時何が起こるか正確には知りませんでした。おそらく、導電性の高いグラフェンシートが絶縁体になるか、ねじれが磁気特性を引き起こすのではないかと彼は推測した。 「率直に言って、私は、この種の強く相関するシステムで何が起こるかを本当に確実に言うためのツールを持っていませんでした」とマクドナルドは言いました. 「確かに超伝導はあなたが最も期待しているものですが、私にはそれを予測する勇気がありませんでした。」
マクドナルドのアイデアはほとんど失敗に終わった。彼が出版のために論文を提出したとき、査読者は彼の単純化した仮定を信じられないものとして批判し、その論文は全米科学アカデミー紀要に掲載される前にいくつかのジャーナルに却下されました。 .その後、それが出た後、ほとんどの実験家はそれを追求しませんでした. 「それから何が得られるかわかりませんでした」とディーンは言いました。 「推測のように感じたので、脇に置きました。」
また、ハーバード大学の物理学者であり、実験的なねじれ二重層グラフェン分野の学部長のような人物である Philip Kim も、魔法の角度を追求するのに時間がかかりました。 (Dean と Jarillo-Herrero はどちらも彼の研究室のポスドクでした。) 「アランの理論は単純すぎると思いました」と彼は言いました。 「ほとんどの実験者と同じように、角度を十分に制御することはおそらく不可能だと思いました。人々はそれを忘れ始めました。」実際、彼とこの分野の他の多くの人々は、ツイスト 2 層グラフェンから完全に移行する準備がほぼ整っており、他の新しい材料がよりエキサイティングな機会を提供する可能性があると感じていた.
ジャリロ・エレーロではありません。 2011 年に MacDonald の予測が発表されたとき、彼はすでに 1 年間ツイスト 2 層グラフェンに取り組んでおり、同僚が時間の無駄である可能性が高いと彼に警告しようとした後でも、それには何かがあると確信していました。 「私たちはこの研究室で冒険的になろうとしていますが、私たちは嗅覚が優れています」と Jarillo-Herrero 氏は言います。 「これは正しいと感じました。」
課題は、1.1 度の角度を保持することに対する材料の自然な反対を克服する、超清浄で非常に均一なグラフェン シートのペアを作成することであることを彼は知っていました。グラフェン シートは、互いに整列する強い傾向を示します。また、オフセット位置に無理に押し込むと、非常に柔軟なシートが変形する傾向があります.
Jarillo-Herrero 氏のグループは、シートの作成とクリーニングから、シートを適切な角度に並べて所定の位置に押し込むまで、製造プロセスのあらゆる側面を磨き上げました。測定は、汚染を防ぐためにほぼ真空で行う必要があり、結果を絶対零度の数度以内に冷却して、相関のある電子の挙動を確認する可能性を高くする必要がありました。強く交流するチャンス。
研究所は、研究者が呼ぶように、数十のねじれた二層グラフェン「デバイス」を作成しましたが、電子相関の重要な証拠を示したものはありませんでした。その後、2014 年に、彼の学生の 1 人が、電場にさらされると明らかに非グラフェンのような絶縁特性の兆候を示すデバイスを彼にもたらしました。 Jarillo-Herrero は単にデバイスを脇に置き、新しいデバイスを作り続けました。 「私たちのデバイスは複雑です。新しい物理学とは何の関係もない奇妙な結果をもたらす反転したエッジやその他の欠陥がある可能性があります」と彼は説明します. 「一度面白いものを見たら、それに注意を払わない。もう一度見たら注意してください。」
2017 年の夏、21 歳ですでに MIT の大学院 3 年生だった博士課程の学生 Yuan Cao は、Jarillo-Herrero に新しいデバイスをもたらしました。以前と同様に、電場がデバイスを絶縁体に切り替えました。しかし今回、彼らは電場をより高く上げようとしたところ、突然再び超伝導体に切り替わった.
ラボは次の 6 か月を費やして、結果を複製し、測定値を特定しました。この作業は極秘に行われ、ねじれ二層グラフェン分野の典型的な非常にオープンで協力的な文化とは一線を画しています。 「他に誰が超伝導に近づいているのか、私には知る由もありませんでした」と、Jarillo-Herrero 氏は言います。 「私たちはこの分野で常にアイデアとデータを共有していますが、非常に競争力があります。」
2018 年 1 月、論文を準備した彼は、Nature の編集者に電話をかけました。 、彼が持っていたことを説明し、ジャーナルが1週間のレビュープロセスに同意することを条件として投稿しました.CRISPR論文の1つがその特別な扱いを受けたと友人が彼に話しました.ジャーナルは同意し、論文は緊急査読を通過しました。
Jarillo-Herrero は、Jarillo-Herrero が執拗に魔法の角度を追求していることさえ知らなかった MacDonald に出版前の電子メールを送りました。 「信じられませんでした」とマクドナルドは言いました。 「私は実際にそれを信じられないほど見つけたということです。」ディーンは、2018 年 3 月の会議で物理コミュニティの他のメンバーと一緒にそれについて学びました。 紙が出てきました。 「結果は、私が驚くほど間違っていることを証明しました」とディーンは言いました。
完璧な遊び場
物理学者が魔法角ツイスト二重層グラフェンに興奮しているのは、それが実用的な超伝導体になる可能性が高いからではなく、超伝導自体の神秘的な特性を解明できると確信しているからです。 1つには、この物質は銅酸化物のように疑わしく振る舞うように見える。これは、約140ケルビンまでの温度、または絶対零度と室温の中間で超伝導が発生する特殊なセラミックの一種である.さらに、外部電場を微調整するだけで、伝導性から絶縁性、超伝導性へと変化するねじれ二層グラフェンの急激な変化は、自由電子が減速して事実上停止していることを示していると、フォトニック科学研究所 (ICFO) の物理学者 Dmitri Efetov は述べています。 ) スペインのバルセロナで。 「それらが停止すると、[電子] はより強く相互作用します」と彼は言いました。 「その後、それらはペアになり、超流動を形成することができます。」その流体のような電子状態は、すべての超伝導体の核となる特徴と考えられています。
銅酸化物を研究してきた 30 年の主な理由は、銅酸化物が複雑な多元素結晶であることです。 Efetov 氏は、「それらはよく理解されていない物質です」と述べ、自由電子を追加するために、要求の厳しい製造中に不純物を正確にドープした場合にのみ超伝導することに注目しました。一方、ねじれた二層グラフェンは炭素に他ならず、より多くの電子を「ドーピング」するには、容易に変化する電場を適用するだけで済みます。 「強相関電子を理解できると期待できる系があるとすれば、それはこの系です」とJarillo-Herreroは言いました。 「さまざまな結晶を成長させる代わりに、電圧ノブを回すか、スタンプでさらに圧力をかけるか、回転角度を変更するだけです。」学生は、事実上無料で 1 時間でドーピングを変更しようとすることができますが、銅酸化物でわずかに異なるドーピング スキームを試すには、数か月と数万ドルかかる場合があると彼は指摘します。
また、マクドナルド氏によると、マジック角ツイスト二重層グラフェンで重労働を行っていると思われる少数の電子もユニークであり、炭素原子 100,000 個ごとに約 1 個です。 「これほど低密度の電子で超伝導が見られるのは前例がありません」と彼は言いました。 「それは、私たちがこれまでに見たどのものよりも、少なくとも 1 桁低くなっています。」 100 を超える論文が科学プレプリント サーバー arxiv.org に表示され、魔法の角度でねじれた二重層グラフェンで何が起こっているのかを説明する理論を提供しています。プリンストン大学の理論物理学者 Andrei Bernevig は、相関物理学を探求するための「完璧な遊び場」と呼んでいます。
物理学者は、それを利用したいと熱望しているようです。文字通りボタンを押すだけで極端な導電率を切り替えることができることに加えて、パリ近郊のナノ科学・ナノテクノロジーセンターの物理学者である Rebeca Ribeiro-Palau は、ねじれた二層グラフェンの磁気、熱、および光学特性が、その電子的特性を可能な限り簡単にエキゾチックな動作に押し込むことができます。 「原則として、物質のあらゆる特性をオンまたはオフに切り替えることができます」と彼女は言いました。たとえば、マクドナルドは、ねじれた二層グラフェンの絶縁状態のいくつかは、通常の場合のように電子の量子スピン状態からではなく、完全に軌道角運動量から生じる磁気を伴うように見えることを指摘しています。理論化されているが、これまで観測されたことのない種類の磁気。
来るべきツイストロニクスの時代
Jarillo-Herrero のグループが魔法の角度が重要であることを証明した今、物理学者はツイストロニクスのアプローチをグラフェンの他の構成に適用しようとしています。 Kim のグループは、グラフェンの 2 つの二重層をねじる実験を行っており、すでに超伝導と相関物理学の証拠を発見しています。他の魔法の角度で超伝導性を得ることを期待して、またはおそらくそれらが整列した場合でも、3層以上のグラフェンを積み重ねている人もいます. Bernevig は、層がますます高く積み上げられるにつれて、物理学者は超伝導温度をそれに伴って上昇させることができる可能性があると仮定しています。他の魔法の角度も役割を果たしている可能性があります。一部のグループは、魔法の角度を大きくして達成しやすくするために、シートをよりきつく締めていますが、マクドナルドは、ターゲットにするのがはるかに難しい場合でも、魔法の角度を小さくすると、さらに豊かな物理学が現れる可能性があると示唆しています.
一方、ツイストロニクスの分野に他の材料が登場しています。半導体と遷移金属は、ねじれた層に堆積することができ、相関物理学の優れた候補と見なされます。おそらく、ねじれた二層グラフェンよりも優れています。 「人々は、この方法で操作できる数百の素材を考えています」と Efetov 氏は述べています。 「パンドラの箱が開かれました。」
Dean と Efetov は、すでに古典的なツイストロニクスと呼ばれているものに固執している人々の 1 人であり、魔法の角度でねじれた 2 層グラフェン デバイスの相関効果を、製造時のしわを文字通り滑らかにすることで高めることを期待しています。 2 つの層の間に言うべき化学結合がなく、わずかにずれている層が整列しようとするため、魔法の角度のねじれを保持するように強制すると、超顕微鏡的な丘、谷、曲がりにつながる応力が発生します。これらの局所的な歪みは、デバイスの一部の領域がツイスト角度の魔法の範囲内にある可能性があることを意味しますが、他の領域はそうではありません. 「レイヤーの端を接着してみましたが、まだ部分的な違いがあります」と彼は不満を漏らしました。 「今は、層が一緒に押し付けられたときの初期歪みを最小限に抑える方法を見つけようとしています。」 Efetov は最近、まさにそれを行う上での進歩を報告しており、その結果は、約 3 ケルビン温度、つまり以前に観測された温度の 2 倍の温度で、新しい超伝導状態ですでに成果を上げています。
Jarillo-Herrero は、驚くべき方法でねじれ二層グラフェン分野の先頭に躍り出て、他の人が追いつくのを待っているわけではありません。彼の研究室の主な焦点は、長い試行錯誤を通じて超伝導サンプルの収量をほぼ 50% にまで高めたという事実を利用して、ねじれた二層グラフェンからこれまで以上にエキゾチックな動作を引き出すことに引き続き取り組んでいます。他のほとんどのグループは、その 10 分の 1 以下の収量で苦労しています。デバイスの製造とテストに約 2 週間かかることを考えると、これは非常に生産性の高い利点です。 「私たちは、これらの魔法の角度のグラフェン システムから生まれるすべての魅力的な状態を見始めたばかりだと考えています」と彼は言いました。 「探索すべき広大な位相空間があります。」しかし、彼の基礎をカバーするために、彼は自分の研究室を引っ張って、他の材料でのツイストロニクスの調査も行いました.
製造が容易で、性能が高く、より高温の超伝導体を開発する競争には、大きな賭け金がかかります。よく想起される列車の空中浮揚のビジョンは別として、電力伝送におけるエネルギー損失を削減することは、経済を後押しし、世界中の有害な排出物を大幅に削減します。量子ビットの製造が突然実用化される可能性があり、おそらく量子コンピューターの台頭につながる可能性があります。超電導がなくても、通常のコンピューターやその他の電子機器は、ツイストロニクスのコストに対してパフォーマンスが大幅に向上する可能性があります。理論的には、複雑な電子回路全体を数枚の純粋な炭素シートに組み込むことができ、数十以上の複雑な回路を必要としないためです。今日のチップに共通する難しい材料のエッチング層。 「物質の非常に異なる特性をこれらの回路に隣接させて統合し、それらを局所電場で変化させることができます」とディーンは言いました。 「その深遠さを説明する言葉が見つかりません。私は何かを作り上げなければならないでしょう。もしかして動的材料工学？」
しかし、そのような希望は最終的にはうまくいきます.今のところ、ねじれた二層グラフェンの興奮は高まっているようです.カストロ・ネト氏は、「恥ずかしがる方もいるかもしれませんが、私はそうではありません。 「この分野が今のように続けば、誰かがノーベル賞を受賞するでしょう。」その種の話はおそらく時期尚早ですが、それがなくても、ジャリロ・エレーロには大きなプレッシャーがあります。 「私の研究室で行ったことは、非現実的な期待を生み出しました」と彼は認めます。 「誰もが、私たちが毎年新たなブレークスルーを生み出すと考えているようです。」彼は確かにさらに重要な貢献をすることを決意していると彼は言いましたが、次の感動的な発見が何であれ、それは彼のものであるのと同じくらい別の研究室から出てくる可能性が高いと予測しています. 「私はすでにそれを事実として受け入れており、それで問題ありません」と彼は言いました。 「自分だけが進んでいる分野にいるのはつまらないでしょう。」
明確化 2019 年 3 月 9 日:この記事の以前のバージョンでは、「2004 年にノーベル賞を受賞したグラフェンの発見」に言及していました。 2004年に発見されましたが、ノーベル賞はその後です。この文は、これを明確にするために修正されました。
