新しい超伝導材料が発見された

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazin eに掲載されました 。

2024年、3つの異なる物質で超伝導（抵抗ゼロで電流が流れる現象）が発見されました。そのうち2つの事例は、この現象に関する教科書的な理解を覆すものでした。3つ目の事例は、それを完全に覆すものでした。「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っていたでしょう」と、ハーバード大学の物理学者アシュビン・ヴィシュワナート氏は述べました。彼はこれらの発見には関わっていません。

1911年、オランダの科学者ハイケ・カメルリング・オンネスが初めて電気抵抗の消失を観測して以来、超伝導は物理学者を魅了してきました。超伝導がどのように起こるのか、そこには純粋な謎があります。この現象は、電流を運ぶ電子がペアになることを必要とします。電子は互いに反発し合うので、どのようにして結合するのでしょうか？

そして、技術的な可能性も秘めています。超伝導はすでにMRI装置や強力な粒子加速器の開発を可能にしました。物理学者がこの現象がどのように、そしていつ発生するかを完全に理解できれば、現在のように低温時だけでなく、日常的な条件下でも電気を超伝導する電線を開発できるかもしれません。そして、ロスのない電力網や磁気浮上車両といった、世界を変革するような技術が実現するかもしれません。

近年の相次ぐ発見は、超伝導の謎をさらに深めると同時に、楽観的な見方も高めている。「物質の世界では、超伝導はどこにでもあるようだ」と、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述べた。

これらの発見は、材料科学における近年の革命に端を発しています。これら3つの新しい超伝導現象はすべて、原子の平板を組み立てたデバイスで発現しています。これらの材料は前例のない柔軟性を示し、物理学者はボタンを押すだけで、導電性、絶縁性、そしてより特殊な挙動へと切り替えることができます。これは、超伝導の探求を加速させた現代の錬金術と言えるでしょう。

この現象は多様な原因によって引き起こされる可能性が高まっているようだ。鳥、蜂、トンボがそれぞれ異なる羽の構造で飛ぶように、物質も電子を異なる方法で対にするようだ。研究者たちは、問題となっている様々な二次元物質で何が起こっているのかを議論しているが、超伝導体の多様性が拡大することで、この魅力的な現象をより普遍的に捉えることができると期待している。

電子対形成

カメリング・オネスの観察（および他の極低温金属で見られる超伝導）の真価は、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、そしてジョン・ロバート・シュリーファーは、低温では物質の不安定な原子格子が静まり、より繊細な効果が現れることを解明しました。電子は格子内の陽子を優しく引っ張り、内側に引き寄せることで過剰な正電荷を生み出します。フォノンと呼ばれるこの変形は、さらに2つ目の電子を引き込み、「クーパー対」を形成します。クーパー対は、孤立電子では不可能な方法で、互いにコヒーレントな量子体を形成します。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物質の原子間を、摩擦なく滑り抜けます。

バーディーン、クーパー、シュリーファーはフォノンに基づく超伝導理論で1972年にノーベル物理学賞を受賞した。しかし、それだけでは十分ではなかった。1980年代、物理学者たちは銅酸化物と呼ばれる銅を含んだ結晶が、原子の揺らぎによってフォノンが消失する高温で超伝導を示すことを発見した。その後も、同様の例が続いた。

理論家たちは電子を対にする新しい方法についてブレインストーミングした。

高温超伝導体では、原子の配列が電子の速度を低下させるように思われます。そして、電子がゆっくりと混ざり合う機会を得ると、集合的に複雑な電場を発生させ、反発するのではなく対を形成するなど、新たな挙動を引き起こします。物理学者は現在、特に銅酸化物において、電子が対形成を促進する特定の方法で原子間を移動するのではないかと推測しています。しかし、その他の「非従来型」超伝導体については、依然として多くの謎が残されています。

そして2018年、新たな超伝導体が物理学者たちの視野を大きく広げた。

マサチューセッツ工科大学の物理学者パブロ・ハリロ・ヘレロ氏は、ハニカム格子に配列し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積み重ねると、2つの層が超伝導を起こす可能性があることを発見した。

研究者たちは既に2D材料に着目し、多様な挙動を発見していました。電場を印加することで、シートに電子を追加したり、まるで原子格子が収縮しているかのような電子の挙動を再現したりできました。これらの設定を単一の2Dデバイスで調整することで、数千から数百万種類もの潜在的な材料の挙動を再現することが可能でした。ジャリロ＝ヘレロ氏が示した膨大な可能性の中には、新たな超伝導体、「マジックアングル」グラフェンが含まれていました。

それから数年後、カリフォルニアのグループがこの魔法の角度を取り除き、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。

研究者たちは、これらのケースで電子がなぜ互いにくっつくのかをまだ議論しています。フォノンはいくつかの点でデータと一致しますが、新たな何かが原因である可能性も考えられます。

しかし、物理学者たちを真に興奮させたのは、超伝導全般を研究する新たな方法の可能性だった。カスタマイズ可能な2Dデバイスは、新しい結晶を一つ一つ設計、成長、そして試験するという骨の折れる作業から彼らを解放した。研究者たちは、単一のデバイスで様々な原子格子の効果を迅速に再現し、電子が何をできるのかを正確に解明できるようになるのだ。

この研究戦略は今、成果を上げている。今年、物理学者たちはグラフェン以外の2D材料で初めて超伝導の例を発見しただけでなく、新たなグラフェン系において全く新しい形態の超伝導も発見した。これらの発見により、従来のグラフェン超伝導体は、未開の地のほんの端に過ぎないことが明らかになった。

ヒントの正当性が証明される

2020年、コロンビア大学の物理学者コーリー・ディーンと彼のチームは、異なる2次元結晶のシートを積み重ねることを試みた。これは、2種類の原子がハニカム状に配列した遷移金属二カルコゲナイド（TMD）と呼ばれる結晶である。シートを5度ねじると、抵抗はゼロに向かって急激に減少したが、そのままでは維持されなかった。これは、超伝導の可能性を示す決定的な兆候ではなかった。

MITのリアン・フーとルイジアナ州立大学のコンスタンティン・シュレードは、この検出結果が不確かであるにもかかわらず、その説明を試みるのを止めなかった。彼らはフォノンが答えではないと考えた。ねじれた物質が強力なのは、ねじれによって電子の挙動が変化し、万華鏡のような「モアレ」模様が物質に現れるためだ。モアレは、人工原子のように振る舞い、電子を宿す巨大な六角形のセルを特徴としている。この新しい環境では、電子はゆっくりと移動するため、集合的な電気的相互作用によってその挙動が決まる。

しかし、電子はどのようにしてペアを形成するのでしょうか？コロンビア大学の研究グループは、モアレに電子を注ぎ込みました。彼らは、モアレ物質内の大きなセルごとに電子が1つずつ存在する場合、これらの電子は「反強磁性」配列をとることを観察しました。つまり、電子の固有磁場は上下を交互に向きます。モアレに電子を追加すると、抵抗はゼロになり、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ました。セルごとに電子が1つずつ存在する場合、各電子は好ましい位置と磁気的配向を持つことができます。しかし、さらに電子が集まると、磁気的配列は不安定になり、電子集団全体が自由に動き始めます。

科学誌は当初、フー氏とシュレード氏の論文を、TMDが超伝導を起こすという確固たる証拠がなかったため、これらのアイデアを論文として掲載しませんでした。しかし今、その証拠が存在します。コロンビア大学の研究グループは過去4年間、低温での電気抵抗測定能力の向上に取り組んできました。そして今年初め、画期的な成果を達成しました。彼らは5度のねじれを持つ2枚のシートからなる別の装置を組み立て、冷却することで超伝導現象を観察しました。この観察結果はまもなくNature誌に掲載される予定です。「なんと、私たちが存在と考えていた状態が、まさに適切な場所に現れていることがわかりました」とディーン氏は述べました。「これは少しばかりの立証です。」

フーとシュレードの理論は、コロンビア大学の研究によって裏付けられ、現在では発表されているものの、証明されたわけではない。検証する方法の一つは、理論が予測するようにクーパー対が回転できるかどうかを確認することだ。これは珍しい特徴であり、フォノンによって対になった電子は互いに周回しない。

反強磁性金属に電子を加えることだけが、TMDにおける超伝導を実現する唯一の方法ではありません。コロンビア大学の発見の少し前に、別のグループがまさに同じ材料で、さらに特異な種類の超伝導を発見していました。

コーネル大学で研究室を運営する学者カップルのジエ・シャン氏とキン・ファイ・マック氏は、2018年にジャリロ・ヘレロ氏が大ヒットのねじれグラフェンを発見して以来、TMDにおける超伝導を研究してきた。彼らは何年もかけて5種類のTMD結晶を混ぜ合わせ、さまざまなねじれ角度と温度を試し、材料にさまざまな電界強度を適用し、巨大な干し草の山から超伝導デバイスを探し求めた。

ついに針が現れたとき、それは誰も予想だにしなかった一種の超伝導を示した。コロンビア大学のチームは反強磁性金属から始め、電子を加えた。一方、コーネル大学のグループは絶縁体から始め、何も加えなかった。彼らのモアレパターンは、より緩やかな3.5度のねじれから生じたもので、電子の速度が著しく低下し、非常に強く相互作用したため、すべての電子が1つのセルに正確に1個ずつ配置された状態で固定された。

その後、研究チームは印加電場の強度を微調整するだけで、このデバイスを超伝導状態にすることに成功した。 10月にNature誌に報告されたこの結果は、超伝導に関する一般的な理論のいずれにも完全には当てはまらない。

「本当に何か別のことが起こっているような気がする」とヴィシュワナートは語った。

これまでで最もエキゾチックな獣

超伝導がTMDにまで普及する中、グラフェンは驚異的な成果を上げ続けています。この夏、グラフェンデバイスが幻の超伝導現象を生み出しました。

「これは他のあらゆる超伝導体とは現象的に異なります」と、この発見グループのリーダーであるMITのロン・ジュ氏は述べた。「1911年のカマーリング・オネス以来発見されたあらゆる超伝導体と比較した場合のことです」

ねじり加工はジュ氏の好みには合わない。シートのシワによってモアレパターンが乱れやすく、デバイスごとに微妙な違いが生じるからだ。そこで彼は、電子を減速させる効果もある4層のグラフェンが階段状に配列した構造を研究している。課題は、どのグラフェン薄片が自然にこの階段状配列になっているかを見分けることだ。ジュ氏は赤外線カメラを用いてこれを実現する。「4つの異なる層を拾い上げて積み重ねる必要はありません」とジュ氏は言う。「自然が代わりにやってくれるんです。必要なのは、それを見るための適切な目を持つだけです」

昨年、ジュ氏の研究グループは、5層グラフェン薄片を絶縁体上にねじれた角度で置き、通常は強い磁場が必要となる珍しい電子の挙動を観測し、大きな話題を呼んだ。理論家たちはこのねじれが本質的な現象なのかどうか疑問視したため、ジュ氏と研究チームはねじれを取り除いた場合に何が起こるかを再検証した。「私たちは、さらに奇妙な現象を発見しました」とジュ氏は語った。

材料に加える電場の強度を変化させていくと、抵抗が消失する条件がいくつか見つかった。そのうち2つのケースでは、超伝導がちらつき、抵抗が変化した。不思議なことに、近くの磁石をオンにすると、ちらつきは止まった。磁石は通常、超伝導を阻害するが、ここでは強化したのだ。「これは理論家の想像の中にしか存在しなかった」とジュ氏は述べた。

Juらの研究グループは、グラフェン階段が電子対を形成して回転する条件を作り出していると考えている。しかし、彼らの考えでは、グラフェンデバイスではすべての電子対が同じ方向（時計回りまたは反時計回り）に回転する傾向があり、すべての電子対が均一に回転していないときにフリッカーが発生する。磁場は、回転しない電子対を全体の回転と一致するように押し出すことで、フリッカーを消去する。このように内部で特定の方向を持つ物質は「カイラル」と呼ばれるが、カイラリティは左向きと右向きの電子を区別し、電子対の形成を妨げるため、超伝導を阻害すると考えられてきた。

「この環境では超伝導は実現できないと思われていました」とヴィシュワナート氏は言う。「全く新しい何かが必要なのです。」

実際、これは非常に珍しい現象であるため、他の研究者たちはさらなる実験による検証を待っている。「おそらくまだ発展途上の話でしょう」とマック氏は述べた。「カイラル超伝導体であるかどうかを完全に確認するには、さらなるデータが必要なだけです。」

一方、理論家たちは、カイラル超伝導がどのように起こるかについて新たな理論を発表している。フー氏と共同研究者は9月に、次のようなレシピを提唱した。まず、電子が繰り返し結晶を形成するように配列する。これは絶縁体のようなものだが、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する。その後、電子グリッドが緩和し、その波紋がフォノンのように電子を対にする。フー氏は、これはあくまで可能性の一つに過ぎないと強調し、「私たちはまだ未知の領域にいるのです」と述べた。

真の理解

物理学者たちは、これらの2次元物質において電子対を形成する原因をはっきりとは解明できていないものの、複数の方法が存在すると確信している。電子は絶縁体から磁性金属、電子結晶に至るまで、あらゆる物質に組織化されており、わずかな乱れがこれらの物質の多くを超伝導電子対へと変化させる可能性があると考えられている。

物質に電子を追加したり、電場をわずかに弱めたりした場合に何が起こるかを直接観察できるため、物理学者は前例のない数のレシピを迅速に試し、どれが超伝導につながるかを確認できます。

「本当の期待は、これらのデバイスのそれぞれが「基本的に他のあらゆる材料を製造できる調整可能な実験室になる」ことです」とディーン氏は語った。

実験者たちは、理論家が説明するための膨大なデータを蓄積している。マックとシャンは、この豊富なデータによって、理論家が実験で確認できる超伝導の実現方法を予測できるようになることを期待している。それが実現すれば、この現象の真の理解を示すことになり、学術的な成果となるだけでなく、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だろう。

しかし今のところ、先頭を走っているのは依然として実験者たちだ。「誰もが全力で突き進んでいる」とヤンコウィッツ氏は言う。「6年も経つのに休む暇もないなんて信じられない」

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。