コーネル大学の研究室で、科学者たちは電子の相反する二つの世界が同時に共存しているかのように振る舞う材料に偶然出くわした。話題は菱面体六層グラフェン、すなわち繰り返しのパターンでずらして重ねられた六枚の炭素シートである。研究者たちはねじれた層を研究する代わりに、平らに積み重なったスタックを得たが、まさにそれが予想外の量子相を切り開いた。
グラフェンはその強度と伝導性で長く知られてきたが、層が特定の仕方で積み重なると、電子同士の相互作用がはるかに強くなる。六層版では、特定の電荷キャリア密度と外部電場のもとで、電子と正孔が共存し強く相関する状態が生じる。これは、それぞれが自分の用事を済ませるだけでなく、一人ひとりが隣人の動きに影響を与える群衆に似ている。
測定により、超伝導の兆候である電気抵抗の消失と、軌道磁性を示す異常ホール効果が確認された。二つの超伝導状態はまさに電子と正孔が交差する場所に現れた。どうやら両者の相互作用がこれらの相の形成に決定的な役割を果たしているらしく、五層グラフェンでは観測されなかった現象である。
素子は窒化ホウ素の層の間に置かれ、ゲート電場によって制御された。温度、磁場、キャリア濃度を変化させながら、チームは詳細な相図を作り上げた。そこには相互作用に起因する絶縁体、超伝導の領域、そして二種類の軌道磁性がはっきりと見て取れる。成果はNature Physicsに掲載された。
この発見は基礎物理学にとってのみ重要なのではない。電子と正孔の相互作用が従来の機構なしに超伝導を生み出す仕組みを理解することは、より高い温度で動作する材料の実現に近づくかもしれない。そうした材料は量子コンピューター、エネルギー効率の高い送電線、新しいセンサーに役立つだろう。
現在、研究者たちは軌道磁性の本質を深く掘り下げている。彼らは、キャリアの一部が結晶のような構造を形成し、残りが液体的な状態にとどまるという仮説を検証している。これらの問いは今回の研究の範囲を超えるが、すでに明らかなのは、六層グラフェンが量子相関を研究する新たな舞台となったということだ。
偶然の発見は、二次元材料の世界では層の数や相互の配置を変えるだけで、馴染み深い性質がまったく新しいものへと変わることを、改めて思い起こさせる。
