超電導の新たなひねりと秘密

超伝導体の突然の出現は偶然のように見えましたが、新しい理論と2番目の発見は、出現する準粒子がこの効果の背後にある可能性があることを示しました。





スキルミオンは多くの電子の集団的振る舞いから生じますが、個々の粒子のように振る舞います。



過去3年間、電子は物理学者のためにゲームをプレイしてきました。



ゲームは2018年にPabloJarillo-Herreroの研究室が10年の発見を発表した ときに始まりまし た。研究者が炭素原子のある層を別の層の上に積み重ね、それらの間に1.1度の「魔法の」ねじれを適用し、原子プレートを冷却して絶対零度に近い。その後、サンプルは理想的な電子伝導体になりました。



粒子はどのようにしてグラフェンシートを完璧に滑るように共謀しましたか？傾斜角によって生み出された万華鏡のような「モアレ」は重要な結果のように見えましたが、誰も確信していませんでした。それを見つけるために、研究者たちは手に入れることができるあらゆる材料を折り畳み、ねじり（回転）させ始めました。



最初は、電子が一緒に遊んでいました。一連の実験により、多くの平坦な材料では、低温によって電気抵抗が急激に低下することが示されています。理想的な導電率に必要な条件はすでによく理解されているようであり、したがって、エレクトロニクスの革命に向けた魅力的なステップは近いものでした。 ワシントン大学の物性物理学者であるマシュー・ヤンコウィッツ氏は、「どのシステムを見ても」、「



超伝導はどこにでもあるように感じた」と語っ た。



しかし、電子は突然「偽りの謙虚さのマスクをかぶった」。研究者がサンプルをより綿密に研究するにつれて、超伝導のケースは消えました。一部の材料では、抵抗は実際にはゼロに低下しませんでした。調査したさまざまなサンプルで矛盾する結果がありました。ほとんどの場合、電子は元の2層グラフェンでのみ「抵抗」なしで実際に移動しました。



「私たちはさまざまなねじれた材料の動物園全体を持っていました、そしてねじれた2層グラフェンは唯一の超伝導体でした」とJankowitzは言いました。



その後、先月、ジャーナル「Nature」と 「Science」に掲載された2つの記事で 、別の超伝導体、2つの均一な外側の「パン」シートと1.56度回転した充填シートを備えた3層グラフェン「サンドイッチ」が説明されました。

ねじれた3層グラフェンの電子を伝達する紛れもない能力は、2プレートシステムが偶然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、新しい実験の1つを主導したJarillo-Herreroは言いました。これは、ファミリーの2番目のメンバーです。





サミュエルベラスコ/クアンタマガジン; 出典：PabloJarillo-Herrero提供





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の原因となる可能性のある根本的なメカニズムに光を当てるのに役立ちました。



2018年の発見から数か月後、あるグループの理論家は、二層グラフェンを超伝導体にするメカニズムについてパズルを解き始めました。彼らは、ある特定の幾何学的特徴により、電子がまったく新しい方法で動作するエキゾチックな渦に渦巻く可能性があると考えました。このメカニズムは、（いくつかの）既知の超伝導回路のいずれとも異なり、2層グラフェン超伝導の成功と他の材料の失敗を説明することができます。彼はまた、グラフェンの3層の「兄弟」も超伝導体になるだろうと予測しました。



しかし、少なくとも研究所がそれをテストできるようになるまで、これは単なる理論のままでした。「私たちが今知っていることから、この方向性はエキサイティングなようです」と、モデルの開発を支援したハーバード大学の研究者であるEslamKhalaf氏は述べてい ます。「超電導を生み出す新しい方法が現れるのは毎日ではありません。」

3つの奇跡

摩擦が多く、粒子が静止したままにならない混沌とした世界では、超伝導のような完璧な現象は存在する権利がありません。しかし、20世紀初頭にヘイケ・カメルリング・オンネスが偶然発見したように、水銀などの一般的な金属は定期的に低温で 現れます。



その秘密は、金属の原子格子のほぼ絶対零度の振動が自由電子をペアに分解することです。これらのペアは、個々の電子が相互作用できない方法で相互作用し、電子と原子（熱と抵抗を生成する）との単一の衝突なしに材料を流れる単一の量子力学的「超流動」を形成します。1957年に開発された元の超伝導理論は、それを、最も理想的な環境を除くすべての環境によって破壊される可能性のある洗練された電子「ダンス」として説明しました。ハーバード大学の理論物理学者であるアシュウィン・ヴィシュワナートは、次のように述べてい ます。



1986年、研究者たちは、今度は銅酸化物として知られる銅化合物のファミリーで、電子が2番目の奇跡を起こすことに気づきました。これらの材料は、通常の電子対を分離することが多い温度よりも数十度高い超伝導を何らかの形で維持することができます。おそらく主に電子自体に関連しており、原子の枠組みには関連していない、新しいメカニズムが機能しているように見えました。





Ashwin Vishwanathのチームは、グラフェンの幾何学的構造を研究することにより、グラフェンの超伝導を理解する方法を考案しました。Ashwin Vishwanathの礼儀



しかし、何十年にもわたる徹底的な研究の後 研究者たちは、銅酸化物中の電子がそれらの超伝導能力をどのように支配しているかを正確にまだ確信していません。電子コングロマリットの動作を予測するには、各粒子の相互の力ずくの力を計算する必要があります。この計算は、電子の数が増えるにつれて複雑さが指数関数的に増大します。超伝導体の最小粒子でさえ理解するために、理論家は何兆もの電子の振る舞いを理解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。



実験者は現在、最良の位置にいません。彼らは、ある原子を別の原子と交換することによって新しい結晶を成長させ、それらの特性をテストすることができます。しかし、この資料は、電子が内部で何をしているのかを明らかにしていません。そして、研究者たちは、彼らがそれを作るまで、材料がどのように振る舞うかを知りません。「私がこの新しい[銅酸化物]を作るつもりだったとは誰にもわかりませんでした」とヤンコウィッツは言いました。「そして[超伝導体になる温度]がどうなるかを予測します。今では非常に難しい作業です。」



ツイスト二層グラフェンのユニークな特性により、銅酸化物よりも透明になりました。多くの研究者によると、実験者はまったく新しい物質を作成する代わりに、電場だけでグラフェンの特性を変えることができ、それが超伝導の「遊び場」になりました。



「これはエキサイティングな挑戦であり、ねじれた二層グラフェンの注目すべき特徴です」とハーバード大学の物性物理学者であるスビル・サチデフは述べてい ます。「これは、電子の動きを研究するためのまったく新しいツールのセットを提供します。」



彼はまた理論的なガイダンスを提供しました。1.1度のマジック角で、グラフェンのハニカム格子は、通常は速い電子がゆっくりと移動するように接続されています。物理学者は、この材料を「フラットストライプ」と表現しています。不活性電子はより多くの時間を一緒に過ごすため、組織化する機会が与えられます。



しかし、リーダーシップはあいまいでした。フラットストライプの材料の電子はさまざまな方法で通信できますが、超伝導ペアリングはその1つにすぎません。研究者たちは、縞模様を滑らかにするために多くの原子プレートを魔法の角度で積み重ねましたが、超伝導雷はボトルに巻き込まれたくありませんでした。



彼らは何か重要なものを見逃しているようでした。

渦スキルミオン

2018年3月、ねじれたグラフェンに超伝導が発見された直後、Vishwanathと彼の同僚は、魔法の角度をわかりやすく説明し、電子をまとめることができるものを理解しようとしました。



二層グラフェンの反抗的な電子の動きを完全に反映する理論を書くことは不可能だったので、理論家はわずかに良く振る舞う粒子を想像することから始めました。彼らは、六角形のグラフェン格子を三角形の2つの副格子と見なしました。電子が原子から原子へと移動するとき、それらは通常、反対側のグリッド上の原子に「ジャンプ」します。反逆者が同じグリッド内の原子にジャンプすることがあります。









Vishwanathと会社は、電子が常にグリッドを変更していると主張しました。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細分化することが数学的にクリーンになりました。そして、2層の2層グラフェンでは、1つのあいまいな特徴が発見され、最終的に重要になりました。このように閉じ込められた電子は、磁場の影響下にあるかのように動き始めました。特に、一方の副格子の電子は明らかに正の磁場を感じたが、もう一方の副格子の電子は負の磁場を感じた。理論家はこ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の鍵は表面にありました。



2018年8月に1.1度のマジック角を得るために理論が適用されたとき 二層グラフェンでは、Vishwanathと同僚はグラフェン層の数を増やし始めました。もともと2層のために開発された理論は、 予想よりもはるかに優れた新しい構造に適用されました。彼らは、より大規模なシステムの複雑さが増すためには手の届かないように思われる単純な関係を使用して、連続する各グラフェンスタックのマジック角を計算できることを発見しました。



「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ことに特に気づきますが、時々、背後に隠されているこの最も理想的な世界を目にします」とVishwanath氏は述べています。



グループがさらに研究を行い、理論にさらに現実的な詳細を追加すると、超伝導が出現しましたが、まったく新しい方法でした。電子対が形成されたのではなく、スキルミオンとして知られる電子の流れが形成された可能性があります ..。二層グラフェンは2層で構成されているため、4つの副格子がありますが、同じ磁気電荷を持つこれらの副格子は1つとして機能します。有効磁場により、あるグリッドの原子を訪れる電子は表面を粗くする傾向があり、別のグリッドの電子は表面を滑らかにする傾向があります。この構成では、電子を所定の位置に固定して、システムが絶縁体のように動作するようにすることができます。（興味深いことに、銅酸化物とねじれた二層グラフェンを使った実験では、両方の材料が超伝導体になる直前に絶縁体として機能することが示唆されています。）



しかし、追加の電荷でバランスを乱すと、各副格子上の電子は、嵐の震源地で回転する電子が粗くなり（または滑らかになり）、隣接する電子が滑らかになる集団渦パターン（スキルミオン）をとることができます。らせん状に。









何千もの電子がグラフェンのスキルミオンに入ることができますが、渦はそれが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ことを期待するかもしれませんが、2つの副格子間で電子がどのように「ジャンプ」するかを支配する量子力学的規則は、実際には反対側のグリッド上のスキルミオンを引き付けます。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。



スキルミオンストーリーの鍵は、三角形の副格子間の電子の移動を決定する180度の回転対称性です。長方形は同じ対称性を持っています。六角形と長方形または六角形の格子の両方にそれがあります。しかし、グラフェン以外のシートを折りたたんだりねじったりすると、その順序が崩れます。最後に、Viswanathと彼の同僚は、ねじれた格子動物園が超伝導体にならない理由を説明することができました。



「それはすべてが一緒になった瞬間でした」とKhalafは言いました。

理論とグラフェン

Jarillo-Herreroは、3つの層から何か良いものが生まれるとすでに考えていました。平らな縞模様のある材料の電子は、粒子が一緒に働くのに十分ゆっくりと移動しますが、超伝導は、蒸気がより簡単に移動する縞模様を「分散」させることによって強化できます。ねじれた2層グラフェンの場合、前者が特徴的です。最後のステートメントは、単層グラフェンの典型的なものです。それらを組み合わせると、両方の長所を得ることができます。



次に、1.5度がグラフェンの3つの層で超伝導スキルミオンを作成するための魔法の角度であるというVishwanathグループの予測が来ました。



これらの議論を念頭に置いて、Jarillo-Herreroの研究室とPhilipKimの研究室 ハーバード大学では、グラフェンシートの3層スタックの作成を開始しました。両方の研究所は、理論家が予測したすべてのものなどを見ました。





PabloJarillo-Herrero 研究所PhilipKim





研究所。

写真提供：ブライスウィックマーク; エリザ・グリンネル/ハーバードSEAS



2層グラフェンが超伝導のプラットフォームである場合、3層グラフェンは本当のお祝いとお祭りです。実験者は、格子内の電子の数を微調整できるだけでなく、2番目の電場を使用して層間で電子を任意に移動させることもできます。この柔軟性により、研究者は超伝導スイートスポットを検索して、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ように感じることができます。



この前例のないカスタマイズ機能を使用して、ラボは、他のねじれた材料とは異なり、3層グラフェンがすべての超伝導試験に合格することを確認しました。彼らはまた、超伝導が異常な方法で発生するといういくつかの間接的な兆候を発見しました。



まず、電子は非常によく相互作用します。原子のクラスターが自由電子をペアにする従来の超伝導体では、100,000個に1個の電子だけが超伝導超流動に結合します。銅酸化物は30分の1の自由電子を含みます。しかし、3層システムでは、研究者によると、10人に1人が参加しています。



超伝導ペアの要素（電子であろうとスキルミオンであろうと）も非常に接近しています。過冷却アルミニウムの電子対の端は、電子間の平均距離の10,000倍の間隔で配置されています。これは、長いスパゲッティのスープのようなものです。そして、3層グラフェンでは、超伝導ペアがマカロニのように集まっており、要素は「パートナー」と「隣人」の両方に等しく近いです。



素粒子レベルで材料の内部で起こるすべてを知ることは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に超伝導を提供すると言うのは時期尚早です。しかし、ハラフにとって、ジャリージョ・ヘレロとキムが観察した奇妙な振る舞いは、電子の渦と収束します。



標準の電子対とは異なり、スキルミオンの対は緊密に結合して、非常に効率的な超伝導を生み出します。複合オブジェクトも大きく、間隔が狭くなっています。



そして、標準的な金属では、電子は、考えられるさまざまな作用からの選択を前提とする状態に陥り、強い超伝導をもたらします。しかし、研究者が3層システムでそのような自由を電子に与えたとき、超伝導は消えました。Khalafによれば、これは自由度の増加によりスキルミオンが崩壊するためである可能性があります。



「この超伝導体を型破りだと断言できるとは思いません」とコーリー・ディーンは語った 。、コロンビア大学の物性物理学者。しかし彼は、自由度の増加に対する異常な反応は「間違いなく反対方向を指している」と付け加えた。



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実際に重要である場合、材料科学者はいつかこの事実を利用して、数十億の可能な材料の分野に向きを変え、電子をまとめることができる格子を見つけることができます。暖かい日に。



ねじれたグラフェンの電荷は、高温での超伝導には巨大なモアレセル全体に非常に薄く分布していますが、スキルミオンであろうとなかろうと、それらを一緒に保持している結合は強いようです。研究者たちは、ねじれたグラフェンとその異常な特性を説明する理論のさらなる研究が、その信頼できる超伝導を説明し、より多くの熱を吸収できる格子への道を示すことを望んでいます。



「原子のスケールで同じ効果が得られれば、それは本当に当てはまります」とSachdev氏は述べています。（私はそれを省略し、要約しました）