今年は 3 つの新種の超伝導が発見され、電子が結合して摩擦のない量子スープを形成する無数の方法を示しています。
はじめに
今年、超伝導（抵抗ゼロの電流の流れ）が 3 つの異なる材料で発見されました。 2 つの例では、教科書的な現象の理解を拡張しています。 3番目はそれを完全に細断します。 「これは非常に珍しい形態の超伝導で、多くの人が不可能だと言うでしょう」と、この発見には関与していないハーバード大学の物理学者アシュビン・ヴィシュワナートは述べた。
1911 年にオランダの科学者ハイケ・カメルリング・オンネスが電気抵抗の消滅を初めて目撃して以来、超伝導は物理学者を魅了してきました。それがどのように起こるかについてはまったくの謎があります。この現象には、電流を運ぶ電子が対になる必要があります。電子は互いに反発しますが、どうすれば結合できるのでしょうか?
さらに、技術的な期待もあります。すでに超電導により、MRI 装置や強力な粒子衝突器の開発が可能になっています。もし物理学者が、この現象がいつどのようにして起こるのかを完全に理解できれば、現在のように低温だけでなく、日常の条件下でも電気を超伝導する線材を設計できるかもしれない。ロスレス送電網、磁気浮上車両など、世界を変えるテクノロジーが続くかもしれません。
最近の相次ぐ発見は、超伝導の謎を複雑にすると同時に、楽観的な見方を高めています。ワシントン大学の物理学者マシュー・ヤンコウィッツ氏は、「物質の中には超伝導がいたるところに存在しているようだ」と述べた。
これらの発見は、材料科学における最近の革命に由来しています。超伝導の 3 つの新しい例はすべて、原子の平らなシートから組み立てられたデバイスで発生します。これらの材料は前例のない柔軟性を示します。物理学者は、ボタンを押すだけで、導電性、絶縁性、そしてよりエキゾチックな動作の間でそれらを切り替えることができます。これは、超伝導性の探索を加速する現代的な錬金術の形です。
現在では、さまざまな原因がこの現象を引き起こす可能性がますます高まっているようです。鳥、ミツバチ、トンボがすべて異なる翼構造を使用して飛ぶのと同じように、物質はさまざまな方法で電子を結合しているようです。研究者たちは、問題のさまざまな 2 次元物質で何が起こっているのかを正確に議論していますが、超伝導体の動物園が成長することで、この魅力的な現象をより普遍的に理解できるようになるだろうと期待しています。
電子のペアリング
カマーリング・オンネスの観察（および他の極低温の金属で見られる超伝導）の事例は、1957 年についに解明されました。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、低温では材料の神経質な原子格子が静まり、より繊細な効果が現れることを発見しました。電子は格子内の陽子を優しく引っ張り、陽子を内側に引き込んで過剰な正電荷を生成します。フォノンとして知られるその変形は、第 2 電子を引き込み、「クーパー対」を形成します。クーパーペアは、単独の選挙では不可能な方法で、すべてをまとめてコヒーレントな量子エンティティを形成できます。結果として生じる量子スープは、通常は電気の流れを妨げる材料の原子の間を摩擦なく滑り込みます。
バーディーン、クーパー、シュリーファーのフォノンに基づく超伝導理論は、1972 年にノーベル物理学賞を受賞しました。しかし、それがすべてではないことが判明しました。 1980年代、物理学者は、銅酸化物と呼ばれる銅が充填された結晶が高温で超伝導する可能性があり、原子の揺れがフォノンを洗い流す可能性があることを発見しました。他の同様の例も続きました。
理論家たちは、電子をペアにする新しい方法をブレインストーミングしました。
より高温の超伝導体では、電子の速度が遅くなるように原子が配置されているようです。そして、電子がゆっくりと混ざり合う機会を得ると、集合的に華麗な電場を生成し、反発するのではなく対を形成するなど、斬新な行動を起こすことができます。物理学者たちは現在、特に銅酸化物では、電子がペアリングに有利な特定の方法で原子間を飛び回っているのではないかと考えている。しかし、その他の「型破りな」超伝導体は依然として非常に謎に包まれています。
そして 2018 年、新しい超伝導体が物理学者の目を大きく開かせました。
マサチューセッツ工科大学の物理学者、パブロ・ジャリーロ＝エレーロは、ハニカム格子に配置された炭素原子のシート (グラフェンと呼ばれる 2D 結晶) を正確に 1.1 度ねじり、別のグラフェン シートの上に重ねると、2 つの層が超伝導できることを発見しました。
研究者たちはすでに 2D マテリアルに手を出し、多様な動作を発見していました。電場を適用することで、電子をシートに追加したり、電子に原子グリッドが収縮しているかのように感じさせることができます。単一の 2D デバイスでこれらの設定を調整すると、数千から数百万の潜在的なマテリアルの動作を再現できます。ジャリーロ・エレーロ氏は、それらの可能性の山の中に、新しい超伝導体である「マジック アングル」グラフェンがあることを示しました。
その後、数年後、カリフォルニアのグループがマジック アングルを取り除き、3 層のねじれのないグラフェン デバイスも超伝導できることを発見しました。
マーク・ベラン/クアンタ・ マガジン
このような場合になぜ電子がくっつくのかについて研究者はまだ議論しています。フォノンはいくつかの方法でデータに適合しますが、何か新しいことも原因であると考えられます。
しかし、物理学者を本当に興奮させたのは、超伝導一般を研究するための新しい方法が期待されたことでした。カスタマイズ可能な 2D デバイスのおかげで、新しい結晶を 1 つずつ設計、成長、テストするという単調な作業から解放されました。研究者は、単一のデバイスで多くの異なる原子格子の効果を迅速に再現し、電子がどのような能力を発揮できるかを正確に知ることができるようになります。
研究戦略は今、成果をあげています。今年、物理学者たちは、グラフェン以外の 2D 材料における超伝導の最初の例と、新しいグラフェン系におけるまったく新しい形態の超伝導を発見しました。この発見により、初期のグラフェン超電導体は未開の新しいジャングルの郊外に過ぎないことが証明されました。
ヒントの正当性が証明されました
2020年、コロンビア大学の物理学者コリー・ディーンと彼のチームは、別の2D結晶のシートを積み重ねることを試みた。これは、遷移金属ジカルコゲニド（TMD）と呼ばれる、2種類の原子のハニカム配列である。シートを 5 度ひねると、抵抗はゼロに向かって急降下しましたが、そこにとどまることはありませんでした。それは超電導に関する決定的なヒントではありませんでした。
この検出の暫定的な性質にもかかわらず、MIT のリャン・フー氏とルイジアナ州立大学のコンスタンティン・シュレード氏は、それを説明しようとするのを止めなかった。彼らはフォノンが答えではないと疑っていました。ねじれた材料は、ねじれによって電子が経験する内容が変化し、材料に万華鏡のような「モアレ」パターンが吹き込まれるため、強力です。モアレには、電子を収容する人工原子のように機能する大きな六角形のセルが特徴です。この新しい環境では、電子は集団的な電気的相互作用がその行動を導くのに十分な速度で移動します。
5W インフォグラフィックス。マーク・ベラン/クアンタ・ マガジン
しかし、電子はどのように共謀してペアを形成したのでしょうか?コロンビアのグループは電子をモアレの中に注ぎ込んだ。彼らは、モアレ材料内の大きなセルごとに 1 つの電子が存在する場合、これらの電子は「反強磁性」配置をとることを観察しました。彼らの固有磁場は上向きと下向きを交互に繰り返す傾向がありました。モアレに余分な電子を追加すると、抵抗がゼロに下がり、クーパー対が形成されました。フーとシュレードは、同じ電子対電子の作用が反強磁性状態と超伝導状態の両方を可能にしていると主張した。セルごとに電子が 1 つある場合、各電子は優先位置と磁気配向を持つことができます。しかし、追加の電子が蓄積すると、磁気配置が不安定になり、集団全体が自由に流れ始めます。
科学雑誌は当初、TMD が超伝導できるという確かな証拠がなかったため、これらのアイデアを説明したフー氏とシュレード氏の論文を拒否しました。今はあります。コロンビアのグループは、過去 4 年間をかけて低温での電気抵抗を測定する能力の向上に取り組み、今年初めに画期的な成果を上げました。彼らは、5 度ひねりを加えて別の 2 枚のシートからなる装置を組み立て、それを冷却し、それが超伝導するのを観察しました。この観察結果はまもなくネイチャー誌に掲載されます。 。 「なんと、私たちが存在すると思っていた状態が、まさに正しい場所に現れていることがわかります」とディーン氏は語った。 「それはちょっとした正当化です。」
フー氏とシュレード氏の理論は、コロンビア号の確認によって補強され、現在発表されているが、証明されていない。それをテストする 1 つの方法は、理論が予測するように、クーパーペアが回転できるかどうかを確認することです。フォノンによってペアになった電子は互いに公転しないため、これは珍しい特徴です。
反強磁性金属に電子を加えることが、TMD で超伝導性を高める唯一の方法ではありません。コロンビア発見の少し前に、別のグループが、まったく同じ物質からさらに特異な超伝導種を発見しました。
コーネル大学で研究室を運営する学術界の権力者カップルであるジエ シャン氏とキン ファイ マック氏は、2018 年にジャリーロ ヘレーロ氏が大ヒットしたツイスト グラフェンを発見して以来、TMD の超伝導性を研究してきました。彼らは何年もかけて 5 種類の TMD 結晶を混合して適合させ、さまざまなツイスト角と温度を試し、材料にさまざまな電界強度を適用して、巨大な干し草の山から超伝導デバイスを探しました。
針がついに現れたとき、それは誰も見たことのない超伝導の一種を示しました。コロンビアのチームは反強磁性金属から始めて電子を追加しました。しかし、コーネル大学のグループは絶縁体から出発し、何も追加しませんでした。 3.5 度の緩やかなねじれによって生じたモアレ パターンにより、電子の速度が非常に遅くなり、非常に強く相互作用するため、電子はすべて、細胞あたり正確に 1 個の電子の位置で固定されるようになりました。
その後、研究グループは、印加電場の強さを微調整するだけでデバイスを超電導にしました。研究者らがネイチャー誌に報告したその結果。 10 月に発表されたこの理論は、一般的な超電導理論のどれにもぴったり当てはまりません。
「本当に何か別のことが起こっているような匂いがする」とヴィシュワナートは言いました。
これまでで最もエキゾチックな野獣
超電導が TMD に広がったとしても、グラフェンは引き続き驚異的です。夏の間、グラフェン デバイスが神話上の超伝導を生み出しました。
「それは他のすべての超伝導体とは現象学的に異なります」と、それを発見したグループのリーダーであるMITのLong Ju氏は言いました。そしてそれは、「1911 年のカメルリング・オンネス以降に発見された超伝導体との比較」です。
ツイストは Ju の好みにはあまりにも厄介です。モアレ パターンはシートのシワによって乱される傾向があり、デバイスごとに多少の違いが生じます。代わりに、電子の速度を低下させることができる 4 つのグラフェン層の階段状の配置を研究しています。課題は、どのグラフェン フレークが自然にこの階段状の配置をしているかを特定することです。Ju 氏は赤外線カメラを使用してこれを達成しました。 「異なるレイヤーを 4 つ選んで積み重ねる必要はありません」と Ju 氏は言います。 「自然が代わりにやってくれます。必要なのは、自然を見るための正しい目を持っているだけです。」
昨年、ジュ氏のグループは、絶縁体上に5層のグラフェンフレークをねじれた角度で配置し、通常は誘導するには強い磁場が必要となる稀な電子の挙動を観察し、話題を呼んだ。理論家たちは、このひねりが不可欠であるかどうか疑問を抱いたので、彼と彼のチームは、ひねりを取り除いたときに何が起こるかを確認するために戻ってきました。 「もっと奇妙なものを見つけました」とジュ氏は言いました。
材料に加える電場の強さを変えると、抵抗が消えるいくつかの設定を発見した。 2つのケースでは、超電導が点滅し、抵抗が現れたり消えたりした。不思議なことに、近くの磁石のスイッチを入れると、ちらつきが止まりました。通常、磁石は超電導を殺しますが、ここでは超電導を強化しました。 「これは理論家の想像の中にのみ存在しました」とジュ氏は言いました。
ジュ氏のグループは、グラフェンの階段が電子が対になって回転する条件を作り出しているのではないかと疑っている。しかし彼らは、グラフェンデバイスではすべてのペアが時計回りまたは反時計回りに同じ方向に回転する傾向があり、すべてのペアが均一に回転していない場合にはちらつきが発生すると考えています。磁場は、気まぐれなペアを押して全体の旋回と一致させることにより、ちらつきを打ち消します。このような好ましい内部方向を持つ材料は「キラル」と呼ばれますが、キラリティーは、ペアの形成を阻止する方法で左方向と右方向に移動する電子を区別するため、超伝導を妨げると長い間考えられてきました。
「この環境では超電導は起こらないと人々は考えていました」とヴィシュワナート氏は語った。 「それにはまったく新しいものが必要です。」
実際、これは非常に珍しいため、他の研究者はそれを検証するためのさらなる実験を待っています。 「それはおそらくまだ発展途上の物語です」とマック氏は言う。 「それがキラル超伝導体であるかどうかを完全に確認するには、追加のデータが必要なだけです。」
一方、理論家たちは、キラル超伝導がどのように起こるかについての新しい理論を発表しました。 Fu 氏と共同研究者らは 9 月に次のレシピを提案しました。まず、絶縁体の場合と同様に、繰り返し結晶を形成するように電子を配置します。ただし、この場合、電子グリッドは背景の原子核とは独立して自由に浮遊します。次に、電子グリッドが緩和し、その波紋がフォノンと同じように電子を対にします。 Fu 氏は、これは可能性の 1 つにすぎないと強調し、「私たちは未知の領域にいる」と述べました。
真の理解
物理学者は、これらの 2D 材料で何が電子をペアリングしているのかを正確に言うことはできませんが、それを行う方法は複数あると確信しています。電子は、絶縁体から磁性金属、電子結晶に至るまで、あらゆる種類の物質に組織化され、わずかな擾乱によって、これらの物質の多くが超伝導電子対に変化する準備ができているようです。
材料に電子を追加したり、その電場をわずかに弱めたりすると何が起こるかを直接確認できるため、物理学者は前例のない数のレシピをすぐに試し、どのレシピが超伝導につながるかを確認できます。
「本当の約束は」とディーンは言いました。これらのデバイスはそれぞれ「基本的にあらゆる材料を作成できる調整可能な実験室」であるということです。
実験者は理論家が説明できるデータの宝庫を蓄積しています。マック氏とシャン氏は、この豊富な量により、理論家が超伝導の生成方法を予測し、実験で確認できるようになることを期待している。それはこの現象を真に理解していることを証明するものであり、学術的な成果であると同時に、革新的な新技術のための材料設計に向けた重要な一歩となるでしょう。
しかし今のところ、実験家たちが依然としてこの道をリードしている。 「誰もが全力で急いでいます」とヤンコウィッツ氏は語った。 「6 年も経っているのに休憩できないなんて信じられません。」
