2024年、超伝導、つまり電流が抵抗ゼロで流れる現象が3つの異なる物質において発見された。そのうちのふたつは、超伝導現象に関する教科書的な理解の延長線上にあると言えるものだった。しかし3つめは、従来の理論を完全に覆すものだ。「多くの人がありえないと言ったであろう、極めて異例なかたちの超伝導です」と、ハーバード大学の物理学者で、今回の発見には関与していないアシュヴィン・ヴィシュワナスは言う。
1911年にオランダの科学者ヘイケ・カマリン・オンネスによって初めて電気抵抗の消失が観測されて以来、超伝導は物理学者たちを魅了してきた。超伝導が起こる仕組みはいまだ謎である。この現象が発生するためには、電流を運ぶ電子がペアになる必要がある。電子は本来反発し合う性質をもつのに、どうやってペアを形成できるのか？
技術開発への応用には多くの可能性がある。超伝導はすでにMRI装置や強力な粒子加速器の開発を可能にしてきた。この現象がどんなときにどのようにして発生するのかを完全に理解できれば、現在のように低温下のみでなく日常的な条件下で超伝導状態になる電線を開発できるかもしれない。そうなれば、送電ロスのない電力網や磁気で浮上する車両などが常温下で実現され、世界を一変させる可能性もある。
最近の一連の発見は、超伝導の謎をさらに深めると同時に希望も生んでいる。「超伝導はあらゆる物質において起こりうるのかもしれません」と、ワシントン大学の物理学者マシュー・ヤンコウィッツは言う。
今回の発見の土台となったのは、材料科学の分野における最近の革命的な進歩だ。超伝導が新たに観測された3つの例はいずれも、平面の原子層を材料とするデバイスを用いる。それらの2次元材料は、物性を自在に変えられるというこれまでにない柔軟性をもつ──ボタンをひとつ押すだけで、導電性、絶縁性、さらに特異な性質をもつように切り替えられるのだ。超伝導の研究を加速させた、現代の錬金術とも言える革新的技術である。
これにより、超伝導は多様な原因によって起こる可能性が高いと考えられ始めている。鳥やハチやトンボがそれぞれ異なる羽の構造で飛ぶように、材料ごとに異なる方法で電子がペアを形成しているようだ。さまざまな2次元材料における詳細なメカニズムについては研究者たちが議論を続けているが、超伝導を引き起こす材料がさらに見つかることでこの不思議な現象をより普遍的に理解できるだろうと期待されている。
超伝導に魅せられた物理学者たち
カマリン・オンネスの観測結果（および極低温状態の金属で発生する超伝導）の仕組みは長年謎のままだったが、1957年についに解明された。ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファーは、低温では物質の原子格子［編註: 固体物質において原子が規則正しく配列した状態の構造のこと］の熱振動が小さくなるために繊細な効果が現れるということを突き止めた。電子が原子格子中の陽子をわずかに内側に引き込み、正電荷の密度が局所的に増えて電荷の偏りが発生する。フォノンと呼ばれるこの変形が別の電子を引き寄せ、「クーパー対」が形成されるのだ。
クーパー対は、単独の電子とは異なり、多くのペアが一体となってコヒーレントな量子状態を形成する。その結果生じた量子のスープは、通常は電流を妨げる物質の原子の間を摩擦なく滑り抜けるので、電流を妨げる抵抗が起こらない。
フォノンを基盤とするこの超伝導理論を導いたバーディーン、クーパー、シュリーファーは、72年にノーベル物理学賞を受賞した。しかし、これが超伝導の全貌ではなかった。80年代、銅を中心金属とする結晶「クプラート」が、原子の振動によりフォノンの効果が消えてしまうはずの比較的高温でも超伝導状態になることが発見され、その後も同様の発見が続いた。
1911年に超伝導を発見したハイケ・カマリン・オンネス（写真左）。しかしその現象の仕組みはアルベルト・アインシュタインをはじめとする著名な物理学者たちも解明できず、50年代になってついにジョン・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（写真右。左から）が、フォノンと呼ばれる原子の振動によって引き起こされることを発見した。 Photographs: Alamy (left); AIP Emilio Segrè Visual Archives (right)
なぜこれらのケースで電子がペアを形成するのか、研究者たちによる議論は続いている。一部のデータはフォノンの理論と一致するが、それだけでは説明できない要因も関与しているようだ。
しかし、物理学者たちを大いに喜ばせたのは、超伝導の新たな研究法が約束されたことそのものだった。2次元材料は自由にカスタマイズできるため、新しい結晶をひとつずつ設計し成長させ試験するという手間から研究者を解放した。いまやひとつの2次元デバイスでさまざまな原子格子の効果を素早く再現し、そこで電子がどのような振る舞いをするのかを正確に調べることができるのだから。
広大な未知のジャングル
この研究戦略は実を結びつつある。今年、初めてグラフェン以外の2次元材料で超伝導が観測され、さらには新たな構造のグラフェンでまったく新しい種類の超伝導も発見された。これらの発見により、それまで知られていたグラフェン超伝導は広大な未知のジャングルの一角に過ぎないことがわかった。
20年、物理学者のコーリー・ディーン率いるコロンビア大学の研究チームは、従来のものとは異なる2次元材料のシートを重ねて実験を行なった。このとき使われた材料は、2種類の原子がハニカム状に並んだ結晶構造をもつ「遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）」だ。このシートを5度回転させてずらして重ねると、抵抗は一気にゼロに達したが、一時的なもので持続しなかった。これでは超伝導の証拠としては不完全だった。
しかし、たとえ一時的なものでも、マサチューセッツ工科大学のリャン・フーとルイジアナ州立大学のコンスタンティン・シュレードはこの現象を解明しようとした。フォノンでは説明できない現象なのかもしれない、とふたりは考えた。ずらされた材料が効果的である理由は、ずれによって電子の環境が変わり、材料に「モアレ」と呼ばれる万華鏡のような模様が形成されるからである。モアレは大きな六角形の格子構造をしており、それが人工の原子のような働きをして中に電子を閉じ込める。この環境では電子の動きが遅くなり、電子同士の相互作用が集団的な効果を生んで新たな振る舞いを導く可能性がある。
しかし、電子はどのようにしてペアを形成したのか？ コロンビア大学の研究チームはモアレのなかに電子を注入した。その結果、モアレ格子のセルひとつにつき電子が1個ずつあるとき、それらの電子は磁場の向きが上と下の交互に並ぶ「反強磁性」状態になった。さらに電子を追加すると、クーパー対が形成されて抵抗がゼロになった。フーとシュレードは、電子同士の単一の相互作用が反強磁性状態と超伝導状態の両方を可能にしていると主張した。セルあたり1個の電子があるとき、各電子は特定の場所に安定した磁性で配置される。そこにさらに電子が加わると、その磁気的な秩序が崩れて電子の集団全体が自由に動き始めるのだ。
ただし、TMDが超伝導を示すという確かな証拠はなかったため、学術誌は当初この仮説を記したフーとシュレードの論文の掲載を却下した。だが、いまはその証拠がある。コロンビア大学の研究チームは4年かけて低温での電気抵抗測定技術を改良し、今年ついに画期的な発見をした。チームが2枚のTMDを5度回転させてずらして重ねて冷却すると、超伝導が観察されたのだ。この結果は近いうちに『Nature』に掲載予定である。「驚きました。存在すると考えていた状態が、まさに予想通りの場所に現れたのです」とディーンは語った。「少し名誉挽回できた気分です」
高温超伝導体では原子が特定の配置をしており、それが電子の動きを遅くするようだった。電子の動きがゆっくりになると、それらが集まって特殊な電場を新たに発生させ、そこでは電子が互いに反発せずペアを形成するなどの新たな動きができる。現在、特にクプラートでは電子が原子の間でペア形成の起こりやすい跳び方をするのではないかと考えられている。しかし、ほかの「非従来的な」超伝導体についてはいまだ多くが謎に包まれている。
新たな超伝導体の発見
そして2018年、新たな材料での超伝導が確認され、物理学界の視野を大きく拡げた。
「これまでとは違う何かが起こっている」
TMDで超伝導を発現させる方法は、反強磁性金属に電子を加えることだけではない。コロンビア大学の発見の少し前、別の研究グループは同じTMD材料でさらに奇妙な超伝導を発見していた。
18年にハリロ・エレロがねじれグラフェンでの超伝導を大発見して以来、コーネル大学に研究室をもつ学界のパワーカップル、ジー・シャンとキン・ファイ・マクは、TMDの超伝導の可能性について探究を続けていた。何年にもわたり、5種類のTMD結晶を組み合わせ、さまざまなずらし角と温度を試し、加える電場の強さを調整するという、巨大な干し草の山から針を探し出すような作業を通して超伝導を生むTMDデバイスを突き止めようとした。
ついに「針」が見つかったとき、それは誰も予測していなかったかたちの超伝導を示した。コロンビア大学のチームは、反強磁性金属に電子を加えることで超伝導を発現させた。一方、コーネル大学のチームは絶縁体を使用し、そこに何も加えなかった。コロンビア大学の5度より小さい3.5度のずらし角度でつくったそのモアレ模様では、電子の動きが非常に遅くなって強く相互作用し、結果としてひとつのセルに正確に1個の電子が固定された。
それから電場の強さを調整すると、それだけで超伝導が発生したのだ。24年10月に『Nature』に掲載されたこの結果は、一般的な超伝導理論ではまるで説明がつかない。
「これまでとは違う何かが起こっているようです」とヴィシュワナスは言う。
まったく新しい理論が必要
超伝導の研究にTMDが用いられるようになってからも、グラフェンを使った実験もなお驚きの結果を生み続けている。24年の夏には、グラフェン材のデバイスで神秘的な超伝導が確認された。
「ほかのどの超伝導とも異なる現象です」と、その超伝導を発見した研究チームを率いるマサチューセッツ工科大学のロン・ジュは言った。「1911年のカマリン・オンネスによる発見以来観測されてきた、いかなる超伝導とも別物です」
ジュにとって、ずらした材料は秩序に欠けている。モアレ模様はシートのしわによって乱れがちで、つまりデバイスごとに少し異なる特性をもってしまう。そこで彼は、階段状に重なった4層のグラフェンで、かつ電子の動きを遅くできるものを研究している。課題となるのは、自然に階段状に積み重なっているグラフェンを見つけることだ。ジュは赤外線カメラを使ってこの構造をもつグラフェンを見つけている。「4つの層を集めて積み重ねる必要はありません」とジュは言う。「自然がやってくれます。正しい視点をもって見つけ出せばいいだけです」
24年、ジュの研究チームは5層のグラフェンをずらし角をつけて絶縁体の上に置き、通常は強い磁場をかけなければ起こらないはずの珍しい電子の振る舞いを観測して注目を集めた。しかし、ずらしは不要なのではないかという声が理論系物理学者たちから上がったので、ジュらはずらしをなくした場合にどうなるかを改めて調べた。「いっそう奇妙な発見がありました」とジュは言う。
材料に加える電場の強さを変えると、いくつかの設定下で電気抵抗がゼロになった。そのうちふたつのケースでは、抵抗が消えては戻るを繰り返し、超伝導がちらちらと現れたり崩れたりした。そして不思議なことに、そこに磁場をかけると超伝導状態が安定した。通常なら磁場は超伝導状態を壊してしまうが、このときには逆に超伝導を強化したのである。「理論上にしか存在しなかった現象です」とジュは言った。
ジュのチームは、グラフェンの階段状の構造が電子をペアにして回転させる条件をつくっているのではないかと考える。ただし、チームが用いたグラフェンのデバイスではすべてのペアが同じ方向（右回りか左回り）に回転する傾向があるが、別方向に回転するペアが混ざっていると超伝導が生じたり消えたりするという。そこに磁場を加えると、別方向に回転するペアを全体の動きに沿って揃えることができ、超伝導が安定するというわけだ。このように内部で特定の方向が優先される性質をもつ物質を「キラル」と呼ぶが、キラルな物質では左回りと右回りの電子が区別されてペアの形成を妨げるので超伝導が起こらないと長年考えられてきた。
「このような環境で超伝導は発生しないと考えられていました」とヴィシュワナスは言う。「まったく新しい理論が必要になります」
実際、これは非常に奇妙なことなので、ほかの研究者たちはさらなる実験による検証を待っている。「これはまだ発展中の話なのでしょう」とマクは言う。「これがキラル超伝導なのかどうかを完全に確かめるためには、さらなるデータが必要です」
一方、理論系物理学者たちはキラル超伝導が起こる仕組みについて新しい仮説を発表した。フーらのチームが9月に提案した仮説は以下のとおりだ。まず、電子が規則的に並んで結晶のような構造をつくる。これは絶縁体と似ているが、電子格子が背景の原子核とは独立して自由に動ける点が異なる。その電子格子が緩んで波のような揺らぎを生じさせ、その波がフォノンと同じような役割を果たして電子をペアにするという仕組みだ。ただしフーは、この理論はひとつの可能性に過ぎないと強調し、「わたしたちは未知の領域にいるのです」と述べた。
実験データから真の理論を導くまで
これらの2次元材料で電子がどのようにペアをつくるのかは完全に解明されていないが、ペア形成に複数の方法がある可能性は高いと物理学者たちは考える。電子は、絶縁体、磁性金属、電子結晶などあらゆる種類の物質を形成するが、わずかな変化をきっかけにペアを形成し、それらの物質の多くを超伝導状態に移行させるようだ。
いまや材料に電子を追加したり電場を少し弱めたりしながらその効果を直接観察できるので、これまでにないほど多くのパターンを次々と試してどれが超伝導をもたらすか調べることができる。
そうしたデバイス一つひとつが「調整可能な実験室であり、基本的にあらゆる種類の物質を再現できること、それが大きな希望です」とディーンは言った。
こうして実験データが次々と蓄積され、理論系物理学者はそれらを説明しようとしている。マクとシャンは、この豊富なデータを土台にして超伝導の発生法を説明する理論が生まれ、それをさらなる実験で確かめられるようになることを期待する。そうなれば、超伝導という現象が真に理解されたと言えるだろう。それは学術的な成果であると同時に、革新的な新技術開発につながる材料設計における重要な一歩になるはずだ。
しかし、現時点ではまだ理論よりも実験が先行している。「みんな全力で研究を進めています」とヤンコヴィッツは言う。「もう6年研究し続けているのに休む暇もないなんて信じられません」
※本記事は、サイモンズ財団が運営する『Quanta Magazine』（編集については同財団から独立）から許可を得て、転載されたオリジナルストーリーである。同財団は、数学および物理・生命科学の研究開発と動向を取り上げることによって、科学に対する一般の理解を深めることを使命としている。
（Originally published on Quanta Magazine/Translation by Risa Nagao/LIBER, edited by Nobuko Igari）
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