MIT、MATTGにおける非従来型超伝導性を確認

超伝導は、電子がペアを形成することで起こります。通常の導体や日常的な材料では電子は散乱しますが、ペアになった電子は「クーパー対」と呼ばれ、抵抗のない完全な電流の流れを作り出します。

この驚異的な特性は観測されており、超伝導体が特定の「臨界温度」以下に冷却されると現れます。電流がエネルギー損失なく無限に流れ続けるだけでなく、これらの材料は磁場を排除し、浮上させることができます。

アルミニウムなどの従来型超伝導体は極低温が必要ですが、研究者はより実用的な高温で超伝導を示す材料の開発に積極的に取り組んでおり、これはエネルギーや量子技術に革命をもたらす可能性があります。

MITの研究者はこの突破口を達成しました。彼らは特徴的なV字型エネルギーギャップを観測し、マジックアングルグラフェンにおける非従来型超伝導性を示す重要な進展を示しました。

マジックアングルグラフェンと『ツイストロニクス』：層の回転が物理を変える仕組み

「マジックアングル」グラフェンの発見以来、研究者は相関絶縁状態や非従来型超伝導性からチューニング可能な磁性、トポロジカル相に至るまで、数多くのエキゾチックな量子現象を明らかにしてきました。

2018年、MITのパブロ・ハリロ＝エレロ率いる物理学者チームが初めてマジックアングルグラフェンの効果を作製・観測しました。

二層のグラフェンを非常に特定の角度で積層したときに、超伝導などの異常な電子特性が検出されました。そのねじれ構造は「マジックアングルねじれ二層グラフェン（MATBG）」として知られています。

グラフェンは炭素原子が単層で構成された材料で、厚さはわずか1原子層です。炭素原子が六角形のハニカム格子を形成し、驚異的な強度、耐久性、熱・電気伝導性を示します。

二層グラフェンは、二つの格子が特定の向きで配置された二層構造です。

純粋な二層グラフェンにおいて、ハリロ＝エレロとそのチームは、二層がマジックアングルでねじれたときに、強い電子間反発に起因する絶縁体（モット絶縁体）挙動を観測しました。

これが「ツイストロニクス」の開発につながり、隣接する層を回転させることでグラフェンの電子特性を調整する有望な新手法が誕生しました。

その手法は、MIT、ハーバード大学、そして日本のNIMSの研究者チームによって、電場を加えることでねじれ二層を超伝導状態にするために利用されました。

時間が経つにつれ、多くの研究者がさまざまな多層グラフェン構造を調査し、非従来型超伝導性の兆候を示すことが分かってきました。

2021年、ハーバードの物理学者は三層のグラフェンを積層し、マジックアングルでねじることで、二層系よりも高温で頑健な超伝導性を示す三層系を実現しました（参考文献1）。外部電場に敏感であり、電場の強さを調整することで超伝導性もチューニングできました。

この実験により、三層構造の超伝導は強い電子間相互作用に起因し、より高温に対して耐性があることが理解されました。

同年、プリンストン大学の研究者は驚くべき類似性²を、マジックグラフェンの超伝導と高温超伝導体のそれと報告しました。

走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、ペアになった電子が有限の角運動量を持つことを発見しました。もう一方は、温度上昇や磁場適用で超伝導状態が消失したときの挙動に関心を持っていました。従来型超伝導体では電子はペアが解離しますが、非従来型では何らかの相関が残ります。

MIT、常温超伝導への道を切り開く

超伝導体が抵抗ゼロで電流を伝える能力は、MRIスキャナー、送電・蓄電、先進的コンピューティング、粒子加速器などの技術にとって重要です。

しかし従来型超伝導体は極低温でしか動作せず、超伝導状態を維持するために特殊な冷却システムが必要です。

もしこれらの材料がより高く、実用的な温度で超伝導を示せば、世界中の技術システムを再定義できるでしょう。その目的のため、MITの科学者は従来の振る舞いから逸脱する非従来型超伝導体の研究に取り組んでいます。

最近、MITの物理学者は「マジックアングル」ねじれ三層グラフェン（MATTG）においてこの現象を観測し、MATTGが非従来型超伝導性を宿すことを直接確認しました³。

共同第一著者のパーク・ジョン・ミンは、従来型超伝導体ではクーパー対の電子は互いに遠く、結合が弱いのに対し、マジックアングルグラフェンでは「ペアが非常に強く結合しており、ほぼ分子のようだ」と指摘し、「この材料には何か非常に異なるものがある」というヒントが見られたと述べました。

過去の研究は手がかりを提供していましたが、正確な確認には至っていませんでした。研究は、マジックアングルグラフェンにおける超伝導ギャップの特定が最大の課題であると指摘しています。

しかしMITチームはMATTGの超伝導ギャップを測定に成功し、温度ごとの超伝導状態の強さを明らかにしました。従来型超伝導体とは全く異なるギャップが観測され、MATTGの超伝導は異常なメカニズムに依存していることが示唆されました。
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共同第一著者でMIT物理学部の大学院生である孫・シュウェンは、超伝導を引き起こすメカニズムは一つではなく多数存在し、どのメカニズムが常温超伝導につながるかは超伝導ギャップが手がかりを提供すると指摘しました。

「材料が超伝導になると、電子は個別ではなくペアとして動き、エネルギーギャップがその結合の強さを反映します。そのギャップの形状と対称性が超伝導の本質を教えてくれます。」

– パーク

非従来型メカニズムの発見を証明するため、チームは二次元（2D）材料における超伝導ギャップ形成を直接観測できる新しい実験系を使用しました。

このために研究者はトンネリング分光法を利用しました。この量子スケールの手法では、電子は波でも粒子でもあり、通常は通過できない障壁を「トンネル」できます。電子が材料をトンネルしやすさを調べることで、電子がどれだけ強く結合しているかが分かります。

今回、チームはMATTGの二層間で電子をトンネルさせ、超伝導状態を測定しました。

しかしこの手法だけでは材料の超伝導性を必ずしも証明できないため、直接測定が重要でありながらも困難です。そこでチームはトンネリング分光と電気輸送測定を組み合わせ、電流が材料を通過する様子と抵抗を同時に追跡しました。

このアプローチをMATTGに適用した結果、電流がゼロ抵抗になるときにのみ現れる超伝導トンネリングギャップを明確に特定できました。

温度と磁場を変化させると、このギャップは従来型超伝導体で見られる平坦なパターンではなく、鋭いV字型曲線を示しました。研究によれば、この独特の低エネルギーギャップは臨界温度と臨界磁場で消失します。

この形状はMATTGの超伝導の背後に新しいメカニズムがあることを示唆しており、まだ未知ですが、材料が従来型超伝導体とは根本的に異なる振る舞いをすることを明らかにしています。

ほとんどの超伝導体では、格子振動が電子を引き寄せてペアを形成しますが、MATTGではパーク氏が指摘するように、強い電子相互作用がペア形成を促し、特殊な対称性を持つ超伝導状態を生み出す可能性があります。

チームが直接超伝導ギャップを観測できたこの手法は、今後さまざまなねじれ・層状材料の研究に活用されるでしょう。

このセットアップにより、同一サンプル内で「超伝導や他の量子相の基底電子構造をリアルタイムで特定・研究」できるとパーク氏は述べ、これが「電子のペア形成や他状態との競合を明らかにし、新たな超伝導体や量子材料の設計・制御への道を開く」ことになると語りました。

彼らはこの実験装置を用いて、MATTGだけでなく他の2D材料も詳細に調査し、先進技術に適した新たな有望候補を探す予定です。

「一つの非従来型超伝導体を深く理解することが、他のすべての理解を促すかもしれない」と、シニア著者でMITのシーセル＆アイダ・グリーン物理学教授であるハリロ＝エレロは述べました。「この理解は、たとえば室温で動作する超伝導体の設計につながる可能性があり、これはこの分野全体の聖杯と言えるでしょう。」

電子を超流体にする量子幾何学の役割

MITの最新のマジックアングル三層グラフェンに関する発見は、非従来型超伝導性の理解に大きく前進しましたが、補完的な研究も電子ペアが材料中をどれだけ容易に流れるかといった重要な詳細を埋める手助けをしています。

超伝導材料では電子ペアが摩擦なく移動しますが、その流れやすさはペア密度などの要因に依存します。「超流体剛性」は、電子ペアの流れの変化に対する抵抗性を示す指標で、超伝導性の重要な指標です。

今年初め、MITとハーバード大学の物理学者はマジックアングルグラフェンの超流体剛性を直接測定しました⁴。これにより、材料がどのように超伝導するかをより深く理解しようとしています。

この研究の目的は、マジックアングルグラフェンにおける超伝導の主な要因である量子幾何学、すなわち材料中の量子状態の「形状」を特定することです。

超流体剛性を直接測定するために、チームは他の2D超伝導材料でも同様の測定が可能な新しい実験技術を開発しました。「まだ調査されていない家族がたくさんある」と語っています。

MATBGのような材料では、クーパー対が超流体を形成し、抵抗なく電流が流れますが、電流を駆動するためには電場という形で「押し」が必要です。

「超流体剛性とは、これらの粒子を動かす容易さを指し、超伝導を駆動するために必要です。」

– 研究共同第一著者ジョエル・ワン（MIT研究所RLE）

この超流体剛性は通常、マイクロ波共振器に材料を入れて測定します。マイクロ波共振器では、材料が共振周波数と動的インダクタンスを変化させ、これが超流体剛性に比例します。

しかしこの手法は、MATBGの10〜100倍大きく厚いサンプルにしか適用できず、原子薄層超伝導体の測定には新たなアプローチが必要です。

MATBGのような極めて繊細な材料をマイクロ波共振器の表面に取り付ける際、平滑性を乱さずに接続することが課題です。つまり「理想的にロスレス、すなわち超伝導的な接触」を作らなければ、マイクロ波信号が劣化または反射してしまいます。

そこでチームはまず標準的な製造技術でMATBGを作製し、六方晶ホウ素ナイトライドの絶縁シート2枚で挟んで原子構造と固有特性を保護しました。

共振器は主にアルミニウムで構成され、端部に少量のMATBGが追加されました。MATBGに接触するため、側面を鋭くエッチングし、アルミニウムを蒸着して「良好な接触とアルミニウムリード」を形成し、これを大型アルミニウムマイクロ波共振器に接続しました。

チームはこの共振器にマイクロ波信号を通し、共振周波数のシフトを測定してMATBGの動的インダクタンスを算出しました。得られたインダクタンスから超流体剛性を算出すると、従来の超伝導理論が予測するよりはるかに大きいことが分かりました。

「従来の期待と比べて超流体剛性が10倍に増加し、温度依存性が量子幾何学理論と一致しました」と共同第一著者の田中美子は述べました。「これは量子幾何学がこの二次元材料の超流体剛性を支配していることを示す決定的な証拠です。」

超伝導技術への投資

American Superconductor Corporation (AMSC ) は、先進的な超伝導システムを製造するエネルギー技術企業です。既存の超伝導技術を商業化し、電力網や海軍向けの実用的応用に展開することに注力しています。

AMSCは、Gridtec、Marinetec、Windtec といったメガワット規模の電力レジリエンスソリューションの主要プロバイダーです。

これらのソリューションを通じて、同社はネットワーク性能、効率、信頼性の最適化を図る高度な電力網システム、推進・電力管理ソリューション、風力タービン用電子制御・システムを提供しています。