過去 3 年間、電子は物理学者をいじってきました。
ゲームは 2018 年に、パブロ ジャリロ エレーロの研究室が 10 年間の発見を発表したときに始まりました。研究者が炭素原子の 1 つの平らなシートを別のシートの上に積み重ね、それらの間に「魔法の」1.1 度のねじれを適用し、冷却したとき、原子ウエハーをほぼ絶対ゼロにすると、サンプルは電子の完全な導管になりました。
粒子がどのようにしてグラフェン シートを完璧にすり抜けることができたのでしょうか?スキュー角度によって作成された万華鏡のような「モアレ」パターンは重要に見えましたが、誰も確実に知りませんでした。それを調べるために、研究者たちは入手できるすべての材料をひねり、積み重ね始めました。
最初は、電子が一緒に遊びました。実験に次ぐ実験により、一連の平らな材料では、極寒の温度が急激な電気抵抗をもたらすことがわかりました。理想的な伝導に必要な条件をより深く理解することが身近に感じられ、それとともにエレクトロニクス革命への興味をそそる一歩が踏み出されました。
ワシントン大学の凝縮物質物理学者であるマシュー・ヤンコウィッツは、「どのような系を見ても、超伝導はどこにでもあるように見えました。」
しかし、電子は恥ずかしがり屋でした。研究者がサンプルをより注意深く検査したため、超伝導の事例は消えました。一部の材料では、抵抗が実際にはゼロにならなかった.他の試験では、異なる試験で相反する結果が得られました。電子が定期的に摩擦のない流れを達成したのは、元の二重層グラフェンだけでした。
「さまざまなねじれた材料の動物園がありましたが、ねじれた二層グラフェンだけが明らかに超伝導体でした」と Yankowitz 氏は述べています。
その後、先月、ジャーナル Nature に 2 つの論文が掲載されました。 と科学 2番目の関連する超伝導体、「パン」シートが整列し、充填シートが1.56度歪んだ3層グラフェンサンドイッチについて説明しました。ツイスト 3 層グラフェンの紛れもない電子運搬能力は、2 ウェーハ システムがまぐれではなかったことを裏付けています。 「これは、モアレ超伝導体のファミリーの最初のものでした」と、マサチューセッツ工科大学の物理学者であり、新しい実験の 1 つを率いたジャリロ・エレーロは言いました。「そして、これはファミリーの 2 番目のメンバーです。」
重要なことに、この 2 番目の兄弟は、これらの材料の超伝導性を促進する可能性のある根本的なメカニズムを解明するのに役立ちました.
2018 年の発見から数か月後、理論家の 1 つのグループが、2 層グラフェンを超伝導にするメカニズムについて頭を悩ませ始めました。彼らは、ある特定の幾何学的特性により、電子がまったく新しい方法で振る舞う風変わりな大渦に渦を巻くことができるのではないかと考えました。このメカニズムは、超伝導の原因となる (数少ない) 既知のスキームとは異なり、二層グラフェンの超伝導の成功と他の材料の失敗を説明するでしょう。また、グラフェンの 3 層兄弟も同様に超伝導することを予測しました。
しかし、それは単なる理論に過ぎませんでした — 少なくとも研究所がそれをテストする機会を得るまでは.このモデルの開発に協力したハーバード大学の研究者であるエスラム・カラフ氏は、「私たちが今知っていることからすると、それはエキサイティングな方向性のように思えます」と述べています。 「超伝導を実現する新しい方法が見つかるのは、毎日ではありません。」
3 つの奇跡
摩擦が多く、粒子が静止することのない乱雑な世界では、超伝導のような完璧な現象が存在する権利はありません。しかし、水銀のような日常の金属は、通常、低温で脱離することを、Heike Kamerlingh Onnes が 20 世紀初頭に偶然発見しました。
その秘密は、絶対零度近くで、金属の原子格子の振動が自由電子をペアに導くことでした。これらのカップルは、個々の電子ができない方法で協力し、単一の電子原子衝突 (熱と抵抗を生成する) なしで材料を流れる統一された量子力学的「超流動」を形成します。 1957年に開発された超電導の最初の理論は、最も理想的な環境を除いてすべてを混乱させる繊細な電子ダンスとしてそれを説明しました.ハーバード大学の理論物理学者である Ashvin Vishwanath は、次のように述べています。
研究者は、1986 年に 2 番目の奇跡を実行する電子を捕らえました。今回は、銅酸化物として知られる銅化合物のファミリーでした。この材料は、従来の電子対を通常分割する温度よりも数十度高い温度で超伝導を維持することができました。新しいメカニズムが働いているように見えました.原子フレームではなく、主に電子自体が関与している可能性があります.
しかし、何十年にもわたる集中的な研究の後でも、研究者たちは、銅酸塩の電子がどのようにして超伝導ベンチャーを組織化するのか正確にはわかっていません.電子集団の挙動を予測するには、各粒子が他のすべての粒子に及ぼす影響を力ずくで計算する必要があります。この計算の複雑さは、電子の数に応じて指数関数的に増加します。超伝導体の小さな破片でさえ理解するために、理論家は数兆の電子群の挙動を把握する必要があります。現在のシミュレーションでは、約 12 個を処理できます。
実験家はそれほど良い立場にあるわけではありません。彼らは新しい結晶を成長させ、この原子をそれと交換し、それらの特性をテストすることができます.しかし、材料は電子が内部で何をしているかを明らかにしていません。また、研究者は、実際に材料を製造するまで、材料がどのように機能するかを知りません。 「私がこの新しい銅酸化物を作るとは誰にも言えませんでした」と Yankowitz 氏は語った。それは今、笑えるほど難しい仕事です。」
ねじれた二層グラフェンのユニークな特徴により、銅酸塩よりも透明になりました。まったく新しい物質を作るのではなく、実験者は電場だけでグラフェンの特性を微調整することができ、多くの研究者にとってグラフェンを超伝導の「遊び場」にすることができました。
ハーバード大学の凝縮系物理学者である Subir Sachdev 氏は、「これは刺激的な問題であり、ねじれた 2 層グラフェンの素晴らしいところです」と述べています。 「電子がどのように動き回っているかを調査するためのまったく新しいツール セットを提供します。」
また、理論的なガイダンスも提供しました。正確に 1.1 度のマジック アングルで、グラフェンのハニカム格子が融合し、通常は活発に動き回る電子がゆっくりと這うようになります。動きの鈍い電子はより多くの時間を一緒に過ごし、組織化する機会を与えます。
しかし、その案内はあいまいでした。フラット バンドを持つ物質内の電子は、さまざまな方法で交流できますが、超伝導ペアリングの形成はその 1 つにすぎません。研究者は、バンドを平坦化する魔法の角度で多くの原子ウェーハを積み重ねましたが、超伝導の稲妻は瓶詰めを拒否しました.
彼らは決定的な何かを見逃しているようでした.
渦巻くスキルミオン
2018 年 3 月にねじれたグラフェンで超伝導が発見された直後、Vishwanath と彼の同僚は、魔法の角度の謎を解き明かし、何が電子を一緒に保持しているのかを理解することに着手しました。
2 層グラフェンの手に負えない電子の動きを完全に捉えた理論を書き留めることは不可能だったので、理論家たちは、もう少し挙動が優れた粒子を想像することから始めました。彼らは、グラフェンの六方格子を三角形の 2 つの副格子として扱いました。電子が原子から原子へと移動するとき、通常は反対側のグリッド上の原子にジャンプします。時折、反逆者が同じグリッド上のアトムに飛び乗ります。
Vishwanath とその会社は、電子は常にグリッドを切り替えると主張しました。この選択により、六角形のグリッドを三角形のグリッドに分割することが数学的に明確になりました。そして、2 つの層を持つ 2 層グラフェンでは、最終的に重要になる、それ以外の場合はあいまいな機能が明らかになりました。電子は、このように拘束されると、磁場の影響下にあるかのように動き始めました。具体的には、一方の副格子上の電子は正の磁場を感じ、他方の副格子上の電子は負の磁場を感じているように見えました。理論家たちはそれを完全には認識していませんでしたが、超伝導の新しい理論への鍵は、彼らを直視することでした.
2018 年 8 月に理論を使用して 2 層グラフェンの 1.1 度のマジック アングルを導出した後、Vishwanath と彼の同僚は、さらに多くのグラフェン層を積み上げ始めました。もともと 2 層用に設計された理論は、予想をはるかに上回る新しい構造にうまくはまりました。彼らは、より厚いシステムの複雑さの増加に影響されないように思われる単純な比率で、次々とグラフェンスタックのマジックアングルを計算できることを発見しました.
「特に物性物理学では、物理的または実際的な現実に非常に近いことをしていると思います」と Vishwanath 氏は述べています。 「しかし、時折、背後にあるこの非常に理想的な世界を垣間見ることができます。」
カリフォルニア大学バークレー校の共同研究者を含むグループがさらに探求し、理論にさらに現実的な詳細を追加すると、超伝導がまったく新しい方法で出現しました。おそらく、形成されていたのは電子のペアではなく、スキルミオンとして知られる電子の嵐です. 2 層グラフェンは 2 つの層があるため、4 つの副格子を持ちますが、同じ磁荷を持つ副格子は 1 つのように機能します。有効な磁場により、一方のグリッド上の原子にアクセスする電子は上向きになり、他方のグリッド上の電子は下向きになります。この構成により、システムが絶縁体として動作するように電子を所定の位置に固定できます。 (不思議なことに、銅酸塩とねじれた二層グラフェンでの実験は、超伝導を開始する直前に両方の材料が絶縁体のように振る舞うことを示唆しています)。
しかし、追加の電荷でバランスを乱すと、各副格子の電子は集団渦パターン (スキルミオン) を想定できます。この場合、嵐の目で回転している電子が上 (または下) を指し、その隣の電子がらせん状に平らになります。パターン。
何千もの電子がグラフェン スキルミオンに入ることができますが、渦は 1 つの電子の電荷を持つ 1 つの粒子であるかのように機能します。負のスキルミオンが互いに反発すると予想するかもしれませんが、実際には、電子が 2 つの副格子間をどのように飛び回るかを制御する量子力学的規則により、反対側のグリッドにスキルミオンが引き寄せられます。言い換えれば、それらは電子のような電荷のペアを形成します — 超伝導の基本的な要件です.
スキルミオンの話の鍵は、三角形の副格子間の電子移動を決定する 180 度の回転対称性です。長方形も同じ対称性を持っています。六角形がそれを持っています。長方形または六角形の格子があります。しかし、グラフェン以外のシートを積み重ねたりねじったりすると壊れてしまいます。ついに、Vishwanath と彼の同僚は、ねじれた格子の動物園が超伝導に失敗した理由を説明することができました.
「これはすべてがうまくいった瞬間でした」と Khalaf は言いました。
理論とグラフェンの出会い
Jarillo-Herrero は、良いことは 3 つのうちにあるかもしれないと考えていました。フラット バンドを持つ材料内の電子は、粒子が一緒に動作するのに十分なほどゆっくりと移動しますが、超伝導は、ペアがより簡単に移動する「分散」バンドから後押しされる可能性があります。ねじれた二層グラフェンには前者があります。グラフェンの単層には後者があります。それらを積み重ねることで、両方の長所を活かすことができます。
その後、1.5 度が 3 層のグラフェンで超伝導スキルミオンを呼び出すための魔法の角度であるという Vishwanath のグループからの予測がありました。
これらの議論を念頭に置いて、Jarillo-Herrero の研究室とハーバード大学の Philip Kim の研究室は、グラフェン シートの 3 層スタックの作成に取り掛かりました。両方のラボで、理論家が予測したすべてのものとそれ以上のものを確認しました。
2 層グラフェンが超伝導の遊び場である場合、3 層グラフェンはステート フェアのようです。実験者は、格子内の電子の数を微調整できるだけでなく、第 2 の電場を使って層間で自由に電子をシャッフルすることもできます。この柔軟性により、研究者は、電子が 2 層システム、1 層システム、または任意の数のハイブリッド システムを移動しているかのように感じさせることで、超伝導スイート スポットを探すことができます。
この前例のない調整可能性を使用して、ラボは、他のねじれた材料とは異なり、三層グラフェンが超伝導のすべてのテストに合格することを確認しました。彼らはまた、超伝導が通常とは異なる方法で発生するという間接的なヒントもいくつか発見しました。
まず、電子は非常によく協力します。原子のクラスターが自由電子と対になる従来の超伝導体では、100,000 個の電子のうち 1 個だけが超伝導超流動に参加します。銅酸化物では、約 30 分の 1 の自由電子が関与します。しかし、三層システムでは、研究者は 10 人に 1 人が関与していると推定しています。
電子であろうとスキルミオンであろうと、超伝導ペアのエンティティも非常に近くにとどまります。過冷却されたアルミニウムの電子デュオの端は、長いパスタ ストランドのスープのように、電子間の一般的な距離の 10,000 倍離れています。しかし、3 層グラフェンでは、超伝導カップルがマカロニのように密集し、オブジェクトは隣接するオブジェクトと同じようにパートナーの近くに配置されます。
素粒子レベルで材料の内部で何が起こっているかを知ることがどれほど難しいかを考えると、スキルミオンが多層グラフェンで確実に超伝導を行っているかどうかを判断するには時期尚早です.しかし、Khalaf にとって、Jarillo-Herrero と Kim が見た奇妙な行動は、電子渦に適合します。
標準的な電子対とは異なり、スキルミオン対は強く結合して、非常に効率的な超伝導を実現します。複合オブジェクトも大きく、密集しています。
標準的な金属では、電子を多くの可能な活動から選択できる状態にすると、通常、最強の超伝導が得られます。しかし、研究者が三層系の電子にこの自由を与えたとき、超伝導は死にました。おそらく、Khalaf 氏によると、それは自由度が増したことでスキルミオンがばらばらになったからです。
コロンビア大学の凝縮物質物理学者であるコリー・ディーンは、「それが従来の超伝導体ではないということが決定的だとは思いません。しかし、彼は、自由度の向上に対する異常な反応は「確かに別の方向を指しているデータ ポイントである」と述べました。
Vishwanath と彼の同僚が特定した回転対称性が多層グラフェンの超伝導にとって真に重要である場合、材料科学者はいつかその事実を利用して、何十億もの可能な物質の場を通過し、暖かい日に電子を一緒に保つことができる格子に導くことができる.
ねじれたグラフェンの電荷は、巨大なモアレ セル全体にあまりにも薄く広がっているため、高温で超伝導を行うことはできません。ねじれたグラフェンとその奇妙な特性を説明する理論をさらに精査することで、研究者は、その堅牢な超伝導性の本質を抽出し、より多くの熱に耐えることができる格子への道を示すことができると期待しています.
「[原子] スケールで同じスキルミオンの物理学が得られれば」と Sachdev 氏は言いました。
