奇妙な超伝導体に潜む目に見えない「悪魔」

WIREDに掲載されているすべての製品は、編集者が独自に選定したものです。ただし、小売店やリンクを経由した製品購入から報酬を受け取る場合があります。詳細はこちらをご覧ください。

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

1956年、デイヴィッド・パインズはファントムを考案しました。彼は、互いに打ち消し合う電気の波紋の海の存在を予言し、個々の波が満ち引きするにもかかわらず、海全体が静止しているように見せかけました。後にパインズの悪魔として知られるようになったこの奇妙な現象は、電気的に中性であるため光には見えず、まさに検出困難な現象でした。

物理学者たちは数十年にわたり、悪魔の亜種を垣間見ることに成功してきた。しかし、パインズが考案した最初の悪魔――金属ブロック内の電子から自然に発生するもの――は発見されなかった。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の物理学者チームが、パインズの「悪魔」を発見したようだ。電子が物質に跳ね返る様子を正確に追跡する技術を改良した後、チームは電子の群れを伝わる一連の周期的な波を生成・検出した。物理学者が「モード」と呼ぶこれらの波は、パインズの計算とほぼ一致する。研究者たちはこの発見の詳細を8月のネイチャー誌に発表した。

「これらのモードは70年間観測されていませんでした」と、ラトガース大学の理論物理学者ピアーズ・コールマン氏は述べた。しかし、この新たな実験は、どういうわけか「これらの悪魔モードを捉えている」。

悪魔を想像する

1950年代は金属中の電子研究が隆盛を極めた時代でした。物理学者たちは既に、電子が互いに押しのけ合う性質を無視し、あたかも自由に流れる気体のように集合的に扱うという、単純化された理論を開発していました。1952年、パインズと指導教官のデイヴィッド・ボームはさらに一歩踏み込みました。この「電子ガス」理論に電子間の相互作用を加えた結果、電子は場所によっては密集し、別の場所では拡散することを発見しました。これらの密集した電子は、密度の高い領域と低い領域（したがって、電荷の高い領域と低い領域）が交互に変化する整然とした波を形成しました。

パインズはその後、この新理論をさらに推し進めた。彼は、それぞれ異なる種類の荷電粒子からなる2種類の気体を含む物質を想像した。具体的には、「重い」電子と「軽い」電子を持つ金属を思い描いた。（理論上はすべての電子は同一だが、現実世界では測定可能な特性は周囲の環境に依存する。）パインズは、最初の気体の波が2番目の気体の波を中和することを発見した。つまり、重い電子が密集している場所では、軽い電子が薄くなる。そして、重い電子の塊が分散するにつれて、軽い電子が集まって薄い部分を埋める。一方の気体がちょうどもう一方の気体が薄くなる場所で濃くなるため、両方の種類の電子密度、ひいては電荷と電場の全体は中立で不変のままとなる。「物体は、一見動いていないように見えても、実際には動いていることがある」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の物性物理学者アンシュル・コガーは述べた。

光は電荷が不均一に分布している物体からのみ反射するため、パインズの振動は中性であるため、完全に目に見えない。光は光子と呼ばれるエネルギーの塊として伝わり、パインズは自身の波のエネルギーの塊を「デーモン」と名付けた。この名前は、パインズが粒子や波に名前をつけるには早すぎる時期に生きた先駆的な物理学者であるジェームズ・クラーク・マクスウェルの悪魔的な思考実験にちなんで付けられた。「マクスウェルに敬意を表し、また、ここでは明確な電子運動（DEM）の事例を扱っているため、これらの新しい励起を『デーモン』と呼ぶことを提案する」とパインズは1956年に記している。

物理学者たちは数十年にわたり、様々な物質において悪魔のような波動を観測してきました。1982年には、ベル研究所の研究者たちが、隣接するガリウムヒ素シートにおいて、互いに反対向きの波動を検出しました。そして今年、カリフォルニア大学バークレー校のフェン・ワン率いるチームは、グラフェンシートにおいて、ほぼ目に見えない電子の波動と、それよりわずかに細い正電荷を帯びた粒子状の物体の波動が同期している様子を捉えた実験結果を発表しました。

しかし、こうした目撃例は主に二次元系で発生しており、悪魔の特徴がそれほど顕著ではありませんでした。次元の奇妙な性質により、二次元では電荷波をほとんど労力をかけずに発生させることができます。しかし三次元では、波を発生させるには、非社交的な電子を密集させるのに最小限のエネルギーが必要です。電気的に中性な悪魔は、この三次元のエネルギーコストを免れます。「三次元の固体で悪魔を見るのは、少し特別なことです」と、アーバナ・シャンペーン研究所のグループで博士研究を行ったコガー氏は言います。

ここに悪魔がいる

ピーター・アバモンテ率いるアーバナ・シャンペーン校チームは、悪魔狩りに出かけることはなかった。パインズの悪魔は彼らの研究室にまっすぐ入ってきたのだ。

2010年、アバモンテの研究グループは、電子の群れに波打つ微細な振動を検出する技術の開発に着手しました。彼らは物質に電子をぶつけ、電子が運んだエネルギーと跳ね返った際の軌道を正確に記録しました。跳ね返った電子の詳細な情報に基づいて、物質が衝突にどのように反応したかを推測し、衝突によって生じた波の特性を明らかにすることができました。これは、浴槽にピンポン玉をぶつけて、その中身が水、蜂蜜、氷のどれなのかを判定するのに似ています。

数年前、研究者たちはルテニウム酸ストロンチウムと呼ばれる超伝導金属に着目しました。その構造は、銅をベースとする謎めいた「銅酸化物」超伝導体の構造に似ていますが、より純粋な方法で製造可能です。研究チームは銅酸化物の秘密を解明することはできませんでしたが、この物質は、博士課程の一環としてこの技術を改良してきたアリ・フセイン氏には理解できないような反応を示しました。

フセインは、跳ね返る電子がエネルギーと運動量を奪われていることを発見した。これは、ルテニウム酸ストロンチウムにエネルギーを消耗させる波紋を引き起こしていることを示唆していた。しかし、その波は彼の予想を覆した。原子核を伝わる音波としては100倍も速く、金属の平面を伝播する電荷波としては1000倍も遅かったのだ。しかも、エネルギーは極めて低かった。

「これは人工物に違いないと思った」とフセインは言った。そこで彼は別のサンプルを入れ、別の電圧を試し、さらには別の人に測定を依頼した。

正体不明の振動は依然として存在していた。計算の結果、研究チームはその波紋のエネルギーと運動量がパインズの理論とよく一致することに気づいた。研究チームは、ルテニウム酸ストロンチウムにおいて、電子は3つの異なる経路のいずれかを使って原子から原子へと移動することを知っていた。研究チームは、これらの経路のうち2つにおいて、電子が同期して互いの動きを打ち消し合っており、パインズの当初の分析における「重い」電子と「軽い」電子の役割を果たしていると結論付けた。彼らはパインズの悪魔を宿す能力を持つ金属を発見したのだ。

「ルテニウム酸ストロンチウム中では安定しています」とアバモンテ氏は述べた。「常にそこに存在します。」

波紋はパインズ氏の計算と完全に一致するわけではない。アバモンテ氏らは、異なる、より複雑な振動を観測していないとは保証できない。しかし、他の研究者らは、全体として、パインズ氏の悪魔が捕らえられたという強い主張をアバモンテ氏の研究チームが示していると述べている。

「彼らはできる限りの誠意ある確認を行った」と、悪魔の振動に関する先駆的な研究を行っているメリーランド大学の凝縮物質理論学者サンカール・ダス・サーマ氏は語った。

悪魔の解放

研究者たちが金属にも悪魔が存在すると疑うようになった今、静止した動きが現実世界に何らかの影響を及ぼすのではないかと疑問に思う人もいる。「それらは稀なものではないはずだし、何か影響を及ぼす可能性もある」とアバモンテ氏は述べた。

例えば、金属格子を伝わる音波は電子を結びつけ、超伝導状態をもたらします。1981年には、物理学者グループが悪魔の振動が同様の方法で超伝導状態を引き起こす可能性を示唆しました。アバモンテらは当初、ルテニウム酸ストロンチウムの型破りな超伝導性に注目し、この物質を研究対象としました。もしかしたら、悪魔が関与しているのかもしれません。

「悪魔が何らかの役割を果たしているかどうかは今のところ不明です」とコガー氏は述べた。「しかし、それはゲームにおけるもう一つの粒子です。」（物理学者はしばしば、特定の特性を持つ波を粒子と考える。）

しかし、この研究の最大の目新しさは、長らく期待されていた金属効果を発見したことにある。凝縮系理論家にとって、この発見は70年の歴史に満足のいく結末をもたらすものだ。

「これは電子ガスの初期の歴史に対する興味深い追記だ」とコールマン氏は語った。

2020年に学位を取得し、現在はクォンティニウム社で働いているフセイン氏にとって、この研究は金属やその他の物質には物理学者が理解するための機器がない奇妙な振動が満ち溢れていることを示唆している。

「彼らはただそこに座っており、発見されるのを待っているだけだ」と彼は言った。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。