3 年前、物理学者は、間に 1.1 度の小さなねじれがある 2 枚の積み重ねられた炭素シートが、まばゆいばかりの一連の挙動を示すことを発見しました。最も有名なのは、低温に冷やすと、材料は抵抗ゼロで電気を伝導することです。
研究者たちは、ねじれた二層グラフェン (と呼ばれる) が超伝導体になる理由を突き止めようと競争しました。多くの理論家は、この発見が超伝導に関する彼らの理解を書き換え、おそらく研究者がより高い温度で現象を維持できる材料を設計することさえ可能にすることを望んでいた.
しかし、グラフェン シート間のねじれに重点を置いたことは、誤った方向に進んだ可能性があります。物理学者のチームは本日、オンライン会議で、まったくねじれのないグラフェンの 3 層スタックで超伝導を観察したと発表しました。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の Andrea Young と Haoxin Zhou が率いるこの発見は、グラフェンの超伝導に関する議論をリセットする可能性があります。これにより、一部の理論家は、グラフェンの超伝導性がバニラの一種であると疑うようになりました.
「これは、[グラフェンの] 超伝導が何らかの意味で規則的であることを示す非常に重要な発見です」と、メリーランド大学の理論的凝縮物質物理学者で、この研究には関与していない Sankar Das Sarma 氏は述べています。
しかし、従来の超伝導の証拠は決定的なものではありません。また、研究者は、ねじれていないグラフェンがそうでなくても、ねじれたグラフェンの超伝導性は依然としてエキゾチックである可能性があると指摘しています.
アルバート・アインシュタイン、リチャード・ファインマン、ヴェルナー・ハイゼンベルクは、低温で抵抗なしに電流を流す多くの金属の理由を理解しようとして失敗した 20 世紀の物理学の巨人のほんの一部です。この標準的な種類の超伝導が発見されてからほぼ半世紀後の 1957 年、ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファーはついにこの現象を説明し、ノーベル物理学賞を受賞しました。
彼らは、金属中の音波 (フォノンと呼ばれる原子が集まる波紋) が、負に帯電した電子を引き付ける正電荷の濃度を作り出すことを突き止めました。フォノンは電子をくっつけて「クーパー対」を作ります。このように結合されると、電子は異なる量子力学的規則によって再生され、融合して量子流体になり、その流れは格子内の原子によってもはや妨げられなくなります。 (著者のイニシャルにちなんで) BCS として知られるこのフォノン媒介理論は、ほぼすべての超伝導実験と一致します。
電子を一緒に接着する別の方法は紙の上で動作し、実験者は一部の超伝導体で不可解なほど強力な「型にはまらない」接着剤の兆候を見てきましたが、そのような主張は未解決のままです.
「誰かがどこかの島の非常に遠い村に、3つの頭を持つ人々がいると言ったようなものです」とダス・サルマは言いました. 「非常に懐疑的であるべきです。」
2018 年、何人かの研究者は、ねじれた二層グラフェンがほとんどの超伝導体よりも電子をはるかに強く結合しているように見えたため、まさにそのようなエキゾチックな超伝導の神話上の島に出くわしたのではないかと考えました。今年の初めに、同様の系で超伝導が発見されたことで興奮が高まりました。3 層のグラフェンが独自の特別な角度でねじれています。両方の系は、まれな 180 度の回転対称性を共有しており、理論家は、スキルミオンとして知られる電子渦に基づく、特に風変わりな形の超伝導をサポートできると主張しました。
しかし、超伝導グラフェンの新しい化身は驚くほど単純に見えます。
ABC 三層グラフェンは、Young と彼の同僚が彼らのグラフェン スタックと呼んでいるように、彼らが作ることができる最もクリーンでシンプルな材料の 1 つです。 2 番目と 3 番目の層はねじれているのではなく、ずれており、それぞれが追加の半ハニカムによって少しずつ押し上げられているため、下の炭素原子は上の格子の中心に落ちます。
ねじれがあろうとなかろうと、グラフェンシートを積み重ねるのは難しい。ねじれたデバイスには、さまざまなゾーンで魔法の角度を乱すしわがたくさんあり、各装置がユニークになっています。 Young と同僚が ABC 3 層デバイスを製造したときでさえ、ほとんどの試みは別の積層パターンに戻りました。しかし、うるさくてねじれたサンプルとは異なり、置かれたままのサンプルは、最後の原子まで同一でした。原子は「レゴのように所定の位置に固定されます」とヤングは言いました。
チームが最初の ABC デバイスを手に入れると、調整可能な電場を使用して元の層の間で電子をシャッフルしました。極低温で電子分布を調整すると、デバイスが電流を減速する方法の変化によって示されるように、システムがねじれたグラフェンと同じように動作し、さまざまなタイプの磁気動作間をジャンプすることがわかりました。彼らはその結果を 4 月のプレプリントに掲載しました。
遷移をより詳細に調べたところ、材料が絶対零度より約 10 分の 1 度高いときに、電気抵抗がゼロの短いちらつき (超伝導) が特定されました。
ヤングと彼の同僚は電子のクーパー対を直接のぞき見る方法はありませんが、バーディーン、クーパー、シュリーファーが認識するであろう挙動を発見しました。システムの「状態密度」として知られています。状態密度が高いと、電子同士がより容易に親交を結ぶことができます。 BCS 理論は、この電子的自由がクーパー対の形成を助けると予測しており、研究者はそれを発見しました:状態密度が上昇するにつれて、材料は超伝導の 2 つのブリップを示しました.
BCS 方程式が成立しているように見えるため、通常のフォノンが超伝導の原因である可能性があります。
「アヒルのように鳴き、アヒルのように歩いています」とダス・サルマは言いました。 「フォノンを想定するのは当然です。」
ABC三層グラフェンのフォノンを支持する証拠はまだ大雑把であることに注目して、あまり納得していない人もいます。超伝導はより高い状態密度に追従しているように見えるが、だからと言って BCS 方程式が詳細に守られているわけではない、とカリフォルニア大学バークレー校の凝縮物質物理学者 Mike Zaletel は述べた。超伝導のスキルミオン理論。
ヤングのデータから、ザレテルはややエキゾチックな種類の超伝導のヒントを見つけました。これは、頭が 3 つある人ではなく、指が 6 本ある島のようなものです。彼は、超伝導の両方の閃光が、電子が強磁性状態に組織化される直前に現れ、そこでそれらのスピン方向が整列したと説明した。電子の領域が整列し始めると、これらの変動する均一性のポケットが、フォノンと同じように電子をクーパー対に導くことができた.
Young のグループは、強磁性が ABC 3 層グラフェンの超伝導開始の鍵であるかどうか、またはそれが無関係であるかどうかを既にテストしています。これは、従来のフォノンを示唆するものです。
多くの物理学者は、Young の新しいプラットフォームが、電子がグラフェンでどのように超伝導するかを理解するのに役立つと楽観的に感じています。ねじれグラフェン デバイスのそれぞれの特異性により、個々のラボでさえ、独自の結果をまったく同じように再現することは不可能でした。完璧なレイアウトを備えた ABC 三層グラフェンは、その課題を克服します。
スタンフォード大学の理論物理学者であるスティーブン・キベルソンは、「材料は複雑で、私たちに嘘をつく方法があります。 「この開発のエキサイティングな点は」、「誰もが同じ答えを得ることができるように」、再現可能な材料を約束していることです。
ABCグラフェンは超伝導体やさまざまな種類の磁石になり、ねじれやその他の明らかなトリックがなくてもできるため、かなり一般的な材料のはるかに広い範囲が見落とされた魔法を保持する可能性があることも示唆しています.この物質的な多様性は、「私たちが思っていたよりもはるかにいたるところに隠れている可能性があります」とヤングは言いました.
