グラフェンの中に眠っていた超伝導性が遂に目覚めたようです

抵抗ゼロで電流を流せる超伝導体として機能する、今まで眠っていたグラフェン本来の能力を目覚めさせる方法が発見されました。Nature Communications誌に掲載されたその発見は、既に、ヘルスケアやエレクトロニクス等の産業に革命を起こす可能性を持った物質と広く見られているグラフェンの潜在能力をさらに高めています。グラフェンは、炭素原子の2次元シートで、例えば、非常に頑丈でありながら同時に軽くてフレキシブルで導電性が高い等の、いくつかの驚くべき特性を併せ持っています。

グラフェン超伝導体

Graphene’s sleeping superconductivity awakens

2004年の発見以来、科学者達は、グラフェンが超伝導体になる能力を持っているかもしれないと仮説を立ててきました。今までは、グラフェンの超伝導性は、それの他の特性を台無しにする可能性のあるプロセスである、超伝導体とのドープか上に置くかでのみ達成されていましたが、今回の新しい研究の中で、ケンブリッジ大学の研究者は、グラフェンが、それ自体で超伝導するための眠っている潜在能力をうまく目覚めさせています。このことは、praseodymium cerium copper oxide (PCCO:プラセオジウムセリウム酸化銅)と呼ばれる物質とグラフェンを結合させることで実現されています。

praseodymium cerium copper oxideは、プラセオジムセリウム酸化銅とも言えそうですが、実際にそういう風に呼ばれているのかどうかは確証が持てません。

超伝導体は、既に数多のアプリで利用されています。それらが巨大な磁場を発生させることから、磁気共鳴断層撮影スキャナーやリニアなどの分野で欠かせない構成材になっています。それらは、エネルギー効率の良いパワーラインや、数百万年間エネルギーを貯蔵可能なデバイスを作るのに利用されることもできます。

超伝導グラフェンは、さらに多くの可能性を開拓してくれます。研究者は現在例えば、グラフェンが新種の高速計算用超伝導量子素子を作るのに使えると提言しています。

p波超伝導

Intriguingly, it might also be used to prove the existence of a mysterious form of superconductivity known as “p-wave” superconductivity, which academics have been struggling to verify for more than 20 years.

「興味深いことに、グラフェン超電導は、多くの研究者達が、20年以上にわたり、実証するために奮闘し続けているp波超伝導として知られている、超伝導の非常に不可解な形態の存在を証明するのにも使えるかもしれません。」

”条件が整えば、グラフェンが超伝導転移を起こすはずだと、長い間仮定されてきましたが、実際には起きてはいません。”と、ロビンソン氏は言いました。”今回の実験のアイデアは、もし、我々が、グラフェンを超伝導体と結合させた場合、その内在的な超電導性をオンにできるのでょうか?といったものでした。その次に来る問題は、生じたその超伝導がグラフェン由来のもので、内在する超伝導体のものではないと、どうやって知ることができるのかということになります。”

似たような手法が、金属系超伝導体を使った過去の研究で取られていますが、あまりうまくはいっていません。”メタル上にグラフェンを置くことが、劇的に性質を変質させてしまうので、それは理論的にもはや、我々が期待するような振る舞いはしなくなってしまいます。”と、バーナード氏は言いました。”あなたが目にしているのは、グラフェンの固有の超伝導性ではなく、ただ単に内在する超伝導体が伝播している物に過ぎません。”

PCCOはd波超伝導体

PCCOは、クプラート(カプレート)と呼ばれる、より幅広いクラスの超伝導体由来の酸化物です。それは、深く理解されている電子特性も有し、走査トンネル分光法と呼ばれる技術を使って、研究者達が、PCCOの超伝導性を、グラフェンで観測される超伝導性と区別することを可能にしています。

超伝導性は、電子が相互作用する方法によって特徴付けられています。つまり、超伝導体内部の電子がペアを組み、対の電子間のスピン整列が、関連超伝導体のタイプや対称性によって違ってくる可能性があるということです。PCCOでは、例えば、ペアのスピン状態は位置ずれ(反平行)していて、d波状態として知られているものになっています。

それに反して、グラフェンが、ケンブリッジ主導の実験の中で、超伝導PCCOと結合された時の結果が、グラフェン内部の電子対がp波状態だったことを示しています。”我々がグラフェン内で見たものは、換言すれば、PCCO内で見たものと比べて、非常に異なるタイプの超伝導でした。”と、ロビンソン氏は言いました。”この事は、それが、超伝導性がグラフェン外部から生じているのではない事と、PCCOが、従って、グラフェン固有の超伝導性を解き放つことだけを要求されていることを、我々が知っていることを意味している理由から、本当に重要なスッテプであったと言えます。”

要は、PCCOはd波超電導体で、グラフェンはp波超電導体だったということです。2つの物質が固有の超伝導性を有しているので、どの超電導がどの物質に由来しているかを識別でき、それによって、PCCOが、グラフェンの長い間眠っていた、その驚くべき超伝導性を目覚めさせる事に成功したのが、今回の実験の結果だったということです。

グラフェンはp波超伝導体

どのタイプの超伝導性をチームが活性化させたのかは、はっきりしないままですが、彼等の結果が、それが非常にまれなp波形態であることを強力に指し示しています。もしp波なら、今回の研究は、この神秘的なタイプの超伝導が、実際に存在するのかどうか、そして、もし存在するなら、それが一体何なのかということについての、現在継続中の論争を変える可能性を秘めていています。

1994年に、日本の研究者が、strontium ruthenate (SRO:ルテニウム酸ストロンチウム)と呼ばれる物質を使ってp波対称性を持つかもしれない三重項超伝導を作り出しています。SROのそのp波対称性は、一部は、SRO がやたらでかい結晶で、理論予測をテストするのに必要な種類の素子に、それを加工するのを困難にしている事実によって妨げられ、一度も完全には証明されていません。

”もしp波超電導が本当にグラフェン中に作られているなら、グラフェンが、基礎的かつ応用的な研究分野のための全く新しい領域の超電導素子創出と探索のための足場として使われる可能性があります。”と、ロビンソン氏は言いました。”そういった実験は、p波超電導と異なるデバイスと設定で、それがどのように振る舞うかのさらなる理解を通して、新しい科学に必ずつながっていくはずです。”

今回の研究はさらなる意味合いを持っています。例えば、それは、グラフェンが、超電導回路中のトランジスタのような素子を作るのに使われることができ、その超電導性が分子エレクトロニクスに組み込まれる可能性があることを示唆しています。”原理的には、グラフェンの表面に結合できるさまざまな化学分子を考慮すれば、この研究は、超伝導グラフェンをベースにした、今までにない数々の機能性を持った分子エレクトロニクスデバイスの開発をもたらすことを可能にしています。”と、バーナード氏が付言しました。

もし本当にグラフェンがp波超伝導体(カイラルd波超伝導体)だと立証されれば、それは今後の超電導の世界に革命をもたらしてくれる可能性がありそうですが、4.2kより上という、あくまでも極低温という条件下なので、残念ながら室温超電導実現の夢とは無関係なようです。グラフェンが超伝導だった事が分かっただけでも大発見です。

p-wave triggered superconductivity in single-layer graphene on an electron-doped oxide superconductor