スペインの科学者が超伝導の「式1」を観察

しかし、これらの「従来の」超電導体には重要な制限があります。実際、その使用はほんの一握りの重要なシステムに限定されています。それらは超低温でのみ動作するため、超伝導状態を維持するには複雑で高価な冷却システムが必要です。

しかし、超伝導体がより高い温度で動作できれば、 室温そうすれば、まったく新しいテクノロジーの世界が可能になり、電力ケーブルや電気ネットワークから実用的な量子コンピューティング システムに至るまで、あらゆる種類のデバイスで使用できるようになります。このため、世界中の研究者は「型破りな」超電導体、つまり現在の超電導体とは異なる、そして潜在的により有望な方法で超電導を示す材料を探しています。

そして今、その探求は有望な進歩を遂げています。聖杯マサチューセッツ工科大学（MIT）の物理学者チームは、この分野ですでによく知られている材料であるねじれ三層グラフェンにおいて、型破りな超電導性の新たな証拠を観察したと発表する記事を「サイエンス」誌に発表した。 「マジックアングル」 (MATTG) は、導電性などのエキゾチックな物理的特性を示すパターンを作成するために、特定の角度 (「魔法の角度」と呼ばれる) に「ねじれる」グラフェンの 3 層で構成される実験的な構造です。鍵はまさに層間の正確な角度にあり、これにより電子バンドが「平坦化」され、驚くべき量子挙動の出現が促進されます。

最も説得力のある証拠

スペインの物理学者が主導した新しい研究 パブロ・ハリロ＝エレーロこれは、この材料が実際に型破りな超電導性を示すという、これまでで最も直接的で説得力のある確認を示しています。具体的には、研究者らはMATTGの「超電導ギャップ」を測定した。これは、平たく言えば、さまざまな温度における材料の超電導状態の堅牢性と性質を示す特性である。この発見は驚くべきもので、MATTGの超伝導ギャップは典型的な超伝導体とは完全に異なるプロファイルを持っています。つまり、この材料が抵抗なく電気を通すメカニズムは新しく、既知のものとは根本的に異なります。

「超伝導を引き起こすメカニズムはたくさんあります」と、この研究の共著者であるShuwen Sun氏は説明する。 「超電導ギャップは、どのようなメカニズムが室温超電導体のようなものにつながり、時間の経過とともに社会全体に利益をもたらすのかを知る手がかりを与えてくれます。」

超電導の「奇跡」

「超電導」という概念は遠い話のように聞こえるかもしれませんが、実際には、その潜在的な影響は非常に大きく、テクノロジーと電気エネルギーの使用方法を永遠に変えることになるでしょう。家庭内のケーブルの銅などの「通常の」電気導体では、電子は移動しますが、多くの場合、材料自体の原子と衝突します。これらの衝突により摩擦が発生し、その摩擦が熱という形でエネルギーの損失につながります（これにより、たとえば携帯電話の充電器が加熱されます）。充電器から全国の送電網まで拡大すると、その損失は膨大なものになります。

しかし、超伝導は、特定の条件下（通常は非常に低い温度、いわゆる「臨界温度」）で材料が完全にすべての電気抵抗を失う量子状態です。つまり、電子は衝突するのではなく、「クーパー対」（結合した 2 つの電子）を形成し、摩擦を受けることなく材料中を流れます。これは、摩擦がゼロであるため、一度始動するとエンジンや燃料が必要なくなる電車にたとえることができます。同様に、一度超電導体内で電流が発生すると、その電流は無限に循環する可能性があります。

現在、極低温の限界により、超伝導は前述の磁気共鳴装置や粒子加速器などの重要かつ非常に価値の高いシステムにのみ適用されています。しかし、もし超電導が室温で達成されれば、世界は大きく前進することになるでしょう。たとえば、スペインでは発電量の 5 ～ 10% に相当する電力網でのエネルギー損失が解消されます。言うまでもなく、摩擦や熱の発生がないため、チップやその他の電子部品には冷却システムを組み込む必要がなくなり（携帯電話などでよくあることですが）、より小型で効率的なデバイスの製造が可能になります。最後に、量子コンピューターの「魂」であり、多くの場合超伝導に基づいている量子ビットは、機能するために絶対零度に近い温度まで冷却する必要がなくなり、今日では専門の研究室でしか見られないスーパーコンピューターが、はるかにアクセスしやすく、誰でも手の届くものになる可能性があります。

『ツイストトロニカ』誕生

「マジック アングル」グラフェンは、「ツイストロニクス」として知られるまったく新しい最先端の研究分野の一部であり、一方の層が他方の層に対して正確な角度で回転するときに二次元材料の電子特性がどのように劇的に変化するかの研究に焦点を当てています。

正確に言えば、Jarillo-Herrero チームは 2018 年に 2 つの回転層を持つグラフェンを実験的に作成した先駆者であり、それ以来 2 層、3 層、そしてそれ以上の層を持つ材料が研究されてきました。 MATTG では、スピン角がエキゾチックな特性を活性化し、電子を従来の拘束から解放する鍵となります。

MATTG の型破りな性質を確認するために、Jarillo-Herrero と彼のチームは、基本的に「トンネル効果」を利用して、二次元材料に超電導が現れる際の超電導ギャップをリアルタイムで「観察」する実験プラットフォームを開発しました。粒子が波と粒子の両方として動作する量子の世界では、トンネル効果は、これらの粒子、たとえば電子が、あたかも壁を通過するかのように、エネルギー障壁を「通過」する確率であり、これは私たちの巨視的な世界では考えられないことです。

「V」字型のギャップ

このようにして、電子が MATTG に「トンネル」する容易さを測定し、これを抵抗ゼロに結び付けることで、研究チームは超伝導ギャップの形状をマッピングすることに成功しました。大きな発見は、従来の超伝導体ではギャップが均一で平坦であるのに対し、MATTGでは異なる電子対形成機構を示す独特の「V」プロファイル、つまり「フィンガープリント」を示すということでした。

「非従来型の超電導体をよく理解することは、残りの部分についての理解を促すきっかけとなり、たとえば室温で動作する超電導体の設計を導くことができます。これはこの分野全体の一種の聖杯です。」とジャリーロ＝エレーロ氏は言います。

MATTG のこの型破りなメカニズムを理解するには、次のことが必要です。 グラフェンの功績、 しかし、「ロードマップ」は、他の高温超伝導材料（1980年代後半に発見された銅酸化物など）の基礎となる物理学を明らかにし、新しい材料の設計における科学者の手を導く可能性がある。したがって、努力は続けられる。

現在、ジャリーロ・エレーロ氏と彼の同僚によって設計された新しい実験プラットフォームのおかげで、MIT チーム自体と世界中の他のグループの両方が、ツイストロニクスの有望な領域をさらに探求するためのツールを手に入れました。したがって、これは新しい物理学の始まりであり、間もなく私たちをエネルギー損失の束縛から解放し、新しい技術時代に突入させる可能性があります。