XNUMX年前、物理学者はそれを発見しました カーボンのXNUMX枚の積み重ねられたシート それらの間にわずかな1.1度のねじれがあると、まばゆいばかりの一連の動作を示す可能性があります。 最も有名なのは、低温に冷却されると、材料は抵抗ゼロで電気を通します。

研究者たちは、ねじれた二層グラフェン（いわゆる）が、異常に頑丈に見える超伝導の形をした超伝導体になる理由を解明しようと競い合いました。 多くの理論家は、この発見が超伝導の理解を書き換え、おそらく研究者がより高い温度で現象を持続できる材料を設計することを可能にすることを望んでいました。

しかし、グラフェンシート間のねじれに集中しているのは、方向が間違っている場合である可能性があります。 物理学者のチームは本日、 オンライン会議 彼らは、ねじれのないグラフェンのXNUMX階建てスタックで超伝導を観察したことを示しています。 によって導かれた発見 アンドレア・ヤング カリフォルニア大学サンタバーバラ校のHaoxinZhouは、グラフェンの超伝導に関する議論をリセットする可能性があります。 一部の理論家は、グラフェンの超伝導が結局のところバニラの品種であると疑うようになりました。

「これは、[グラフェンの]超伝導が、ある意味で規則的であることを示す非常に重要な発見です」と述べています。 サンカル・ダス・サルマ、メリーランド大学の理論的物性物理学者で、研究には関与していませんでした。

しかし、従来の超伝導の証拠は決定的なものではありません。 研究者たちは、ねじれていないグラフェンがそうでなくても、ねじれたグラフェンの超伝導はまだエキゾチックである可能性があることに注意しています。

アルバート・アインシュタイン、リチャード・ファインマン、ヴェルナー・ハイゼンベルクは、20世紀の物理学の巨人のほんの一部です。 失敗した 多くの金属が低温で抵抗なしに電流を流す理由を理解するため。 この標準的な種類の超伝導が発見されてからほぼ半世紀後の1957年、ジョンバーディーン、レオンクーパー、ジョンロバートシュリーファー ついに現象を説明した、彼らにノーベル物理学賞を授与した業績。

彼らは、金属中の音波 (フォノンと呼ばれる原子が集まったさざ波) が、負に帯電している電子を引き付ける正電荷の集中を生成すると結論付けました。 フォノンは電子をくっつけて「クーパー対」を作ります。 このように結合された電子は、異なる量子力学的規則によって再生され、量子流体に融合します。この流体の流れは、もはや格子内の原子によって妨げられません。 (著者のイニシャルにちなんで) BCS として知られるこのフォノン媒介理論は、ほぼすべての超伝導実験に一致します。

電子を一緒に接着する別の方法は紙の上で機能し、実験家は不可解なほど強い兆候を見てきました 「型破りな」接着剤 一部の超伝導体では、そのような主張は未解決のままです。

「ある島の非常に離れた村に、XNUMX つの頭を持つ人々がいると誰かがあなたに言ったようです」と Das Sarma は言いました。 「あなたは非常に、非常に懐疑的であるべきです。」

2018年、一部の研究者は、ねじれた二層グラフェンがほとんどの超伝導体よりもはるかに緊密に電子を結合しているように見えたため、このような神話上のエキゾチックな超伝導の島に出くわしたのではないかと考えました。 今年の初めに、 同様のシステムにおける超伝導：独自の特別な角度でねじれたグラフェンの180つの層。 両方のシステムは、まれなXNUMX度の回転対称性を共有しており、理論家は、スキルミオンとして知られる電子渦に基づく特にエキゾチックな形の超伝導をサポートできると主張しました。

しかし、超伝導グラフェンの新しい化身は驚くほど明白に見えます。

ヤングと彼の同僚が彼らのグラフェンスタックと呼んでいるように、ABC三層グラフェンは彼らが作ることができる最もクリーンで最も単純な材料のXNUMXつです。 XNUMX番目とXNUMX番目の層は、ねじれるのではなくシフトされ、それぞれが追加の半ハニカムによって少しずつ動かされるため、下の炭素原子は上の格子の中心に落ちます。

グラフェンシートの積み重ねは、ねじれの有無にかかわらず、困難です。 ツイストデバイスには、さまざまなゾーンのマジックアングルを乱すしわがたくさんあり、各装置が独自のものになっています。 Youngと同僚がABC三層デバイスを製造したときでさえ、ほとんどの試みは別のスタッキングパターンにスナップバックしました。 しかし、厄介なねじれたサンプルとは異なり、置かれたままのサンプルは最後の原子まで同一でした。 原子は「レゴのように所定の位置に固定されます」とYoungは言いました。

チームが最初のABCデバイスを入手すると、調整可能な電場を使用して、元の層間で電子をシャッフルしました。 彼らが極低温で電子分布を調整すると、デバイスが電流を遅くする方法の変化によって示されるように、システムがねじれたグラフェンと同じように動作し、さまざまなタイプの磁気動作間をジャンプすることがわかりました。 彼らは結果をに投稿しました XNUMX月のプレプリント.

彼らが遷移をより詳細に調べたとき、材料が絶対零度より約XNUMX分のXNUMX度上にあるときに、電気抵抗がゼロの短いちらつき（超伝導）を特定しました。

ヤングと彼の同僚は、クーパー対の電子を直接覗き見する方法はありませんが、バーディーン、クーパー、シュリーファーが認識する動作を発見しました。XNUMXつの層の間で電子を移動すると、電子が選択できる構成の数、量が増加しました。システムの「状態密度」として知られています。 状態密度が高い場合、電子はそれらの間でより簡単に親交を結ぶことができます。 BCS理論は、この電子的自由がクーパー対の形成を助けると予測しており、それが研究者が発見したものです。状態密度が上昇するにつれて、材料は超伝導のXNUMXつのブリップを示しました。

BCS方程式が成り立つように見えるので、通常のフォノンが超伝導の原因である可能性があります。

「それはアヒルのように震え、アヒルのように歩く」とダス・サルマは言った。 「フォノンを想定するのは自然なことです。」

ABCの三層グラフェンのフォノンを裏付ける証拠はまだ荒いままであることに注意して、他の人はあまり確信していません。 超伝導はより高い状態密度で追跡しているように見えますが、それはBCS方程式が詳細に従っていることを意味するものではありません。 マイク・ザレテル、カリフォルニア大学バークレー校の物性物理学者で、研究中にヤングに相談し、超伝導のスキルミオン理論の開発を支援しました。

ヤングのデータでは、ザレテルは、XNUMXつの頭を持つ人々ではなく、XNUMX本の指の人口を持つ島のような、穏やかにエキゾチックな種類の超伝導のヒントを見ています。 彼は、超伝導の両方のフラッシュが、電子が強磁性状態に組織化される直前に現れ、そこでスピン方向が整列したと説明した。 電子の領域が整列し始めると、これらの変動する均一性のポケットは、フォノンと同じように電子をクーパー対に羊飼いにした可能性があります。

ヤングのグループは、強磁性がABC三層グラフェンの超伝導の始まりの鍵となるかどうか、またはそれが無関係であるかどうかをすでにテストしている.

多くの物理学者は、ヤングの新しいプラットフォームが、グラフェンで電子がどのように超伝導するかを解明するのに役立つと楽観視している. ねじれたグラフェンデバイスのそれぞれの特異性により、個々のラボでさえ、独自の結果を同じように再現することは不可能でした。 完璧なレイアウトを備えた ABC XNUMX 層グラフェンは、その課題を克服します。

「材料は複雑で、私たちに嘘をつく方法があります」と言った スティーブンキベルソン、スタンフォード大学の理論物理学者。 「この開発でわくわくするのは、誰もが同じ答えを得ることができるように」再現可能な素材を約束することです。

ABCグラフェンは、ねじれやその他の明らかなトリックなしで、超伝導体やさまざまな種類の磁石になる可能性があるため、かなり一般的な材料のはるかに広い範囲が見落とされた魔法を保持する可能性があることも示唆しています。 この物質的な多様性は、「私たちが思っていたよりもはるかに遍在的に、明白な視界に隠れているかもしれません」とヤングは言いました。