量子工学 - 超伝導の "魔法のような "最新開発技術

今回の研究は、電子がほぼ "凍結 "した状態で超伝導が発現する仕組みについて、重要な示唆を与えるものです。 テキサス大学ダラス校の科学者とオハイオ州立大学の共同研究者は、電子の速度がほぼゼロである物質において、超伝導を生じさせる新しいメカニズムを発見しました。 この発見により、新たな超伝導体の開発への道が開かれる可能性があります。 本研究の成果は、電子の速度を計算する新しい方法として、このほど学術誌「nature」に掲載されました。 また、この研究は、量子幾何学があらゆる物質の超伝導に寄与する主要なメカニズムであることが確認された最初のケースとなります。 研究者たちが研究した材料は、ねじれた二重層[{" 属性="">グラフェンです。グラフェンは、炭素原子がハニカム状に周期的に配列した1枚の層である。ツイスト二層グラフェンでは、2枚のグラフェンがわずかな角度のねじれを伴って重ねられている。原理的には、ある「魔法の」ねじれ角度で、材料中の電子の速度がゼロに近づくと、UTダラスの自然科学・数学部の物理学准教授で、この研究の著者であるFan Zhang博士は述べている。理論家であるZhangとその共同研究者は、このような系のユニークな物理的特性に関する総説を以前に発表しています。 "従来の金属では、電子の平均速度が導電性を担っており、超伝導体では、電子がクーパー対になって抵抗や散逸がなく均一に流れます。"と、Zhangは述べています。「これに対して、ねじれた二層グラフェンでは、電子は非常にゆっくりと動き、その速度はゼロに近い。しかし、このような遅い電子が、超伝導はおろか、電気を流すことができるのだろうか？ "超伝導は何か他のものから来るに違いない。量子幾何学から生じることを突き止めたのです。" 今回の研究は、ほぼ「凍った」電子を持つ物質において、どのようにして超伝導が生じるのかについて重要な示唆を与えるものです。 物理学教授で研究著者でもあるマーク・ボックラス博士、ジーニー・ラウ博士、モヒト・ランデリア博士が率いるオハイオ州立大学の研究者は、マジックアングルでねじれた二層グラフェンのデバイスを作製し、その電子の速度を測定することに成功しました。物性物理学者は、電界の存在下で電子-陽電子対が自発的に生成されるシュビンガー効果を利用して、材料中の電子の速度と超伝導への寄与を測定しました。この発見は、相対論的素粒子物理学で予測されながらまだ観測されていないシュビンガー効果が、あらゆる超伝導体で初めて観測されたことを意味します。 "その速度は、すべてのグラフェン系の中で、これまでで最も遅いことが判明しました。驚くべきことに、超伝導はまだ生じうるのです」と、Zhang氏の理論グループの物理学博士課程学生で、論文の著者であるTianyi Xu氏は述べた。「というのも、電子の速度を決定することは、超伝導への寄与を計算するための重要なステップだったからです。その貢献度は微々たるものであることが判明しました。" 実験と理論解析により、超伝導への寄与は、通常の幾何学と類似しているが量子多体物理学に由来する量子幾何学が代わりに支配的であることが示された。 "我々の通常の3次元空間における風船を考えてみましょう。その幾何学的な特性はすべて、測定基準とその表面に定義された曲率によって決定することができます。"と、Zhangの元大学院生で論文の著者であるPatrick Cheung MS'22 PhD'22 は述べています。「量子電子が住む空間も同じです。このいわゆるヒルベルト空間において、量子幾何学は、本研究で議論されている超伝導や、我々が以前の研究で実証したインテリジェント量子センシングなど、信じられないような材料特性やアプリケーションを生み出すことができます。" 量子幾何学が可能にする超伝導は、従来にないメカニズムである。今回の発見は、常圧で150ケルビン（摂氏-123度、華氏-190度）以下で動作する既存の超伝導体よりも高温で機能する新しい超伝導体の発見・設計の基礎となる可能性があります。 「室温で動作する高温超電導体は、物性物理学や材料物理学の聖杯として長い間注目されてきました。"もしそれが開発できれば、例えば、電気をもっと効率的に運んだり、磁気浮上式鉄道をもっと安価に走らせることができるので、我々の生活や社会は完全に形を変えるだろう。" Zhangは、「量子幾何学は素晴らしく、豊かで予期せぬ結果につながります。もっともっとエキサイティングな物理が、発見されるのを待っています。" 参考資料"Evidence for Dirac flat band superconductivity enabled by quantum geometry" by Haidong Tian, Xueshi Gao, Yuxin Zhang, Shi Che, Tianyi Xu, Patrick Cheung, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Mohit Randeria, Fan Zhang, Chun Ning Lau and Marc W. Bockrath, 15 February 2023,Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05576-2 オハイオ州立大学の研究者のほか、日本の物質・材料研究機構の研究者も執筆しています。 この研究に携わったUTDの研究者への資金提供は、全米科学財団と、米陸軍戦闘能力開発司令部陸軍研究所の一部門である陸軍研究室が行っています。

（リンク：https://www.electriccitymagazine.ca/quantum-engineering-the-latest-magical-development-in-superconductivity/）