5.0°ねじれ二層WSe2における超伝導

2025-01-26 Sun
背景紹介近年、ねじれ二層および三層グラフェンにおける超伝導の発見が広く注目を集めています。これらのシステムの鍵となる特徴は、層間結合とモアレ超格子の相互作用にあり、低エネルギーの平坦バンドが出現し、これが強相関を示します。同様の平坦バンドは、他の二次元材料（例えば遷移金属ダイカルコゲナイド、TMDs）の格子不整合やねじれヘテロ構造におけるモアレパターンによっても誘導される可能性があります。モアレTMDsではさまざまな相関現象が観察されていますが、超伝導の確かな実験的証拠は依然として不足していました。本論文では、5.0°ねじれ二層WSe₂において超伝導が観察され、最高臨界温度が426 mKに達することが報告されています。この発見は、モアレ平坦バンド超伝導がグラフェン構造に限定されないことを示しており、TMDsに固有の特性（例えばバンドギャップ、強いスピン軌道結合、スピン-バレーロック、磁性）が、より広範な超伝導パラメーター空間の探索を可能にすることを示唆しています。
論文の出典本論文は、Yinjie Guo、Jordan Pack、Joshua Swannらによって執筆され、著者らはコロンビア大学、テネシー大学、国立材料科学研究所（日本）など複数の機関に所属しています。論文は2025年1月23日に『Nature』誌に掲載され、タイトルは「Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe₂」です。
研究のプロセスと結果1. デバイス作製と実験設計研究チームはまず、5.0°ねじれ二層WSe₂（twisted bilayer WSe₂, tWSe₂）デバイスを作製しました。デバイスはAA積層構造を採用し、剥離したWSe₂層をSiO₂基板上にドライトランスファー法で積層しました。変位場と密度の範囲を拡大するため、研究チームは薄層の窒化ホウ素（BN）を誘電体スペーサーとして使用しました。上部および下部ゲートは少数層グラファイトで作製され、接触領域ではグラファイトとRuCl₃が電荷移動ドーパントとして使用されました。デバイスの構造設計には、チャネル密度と変位場を調整するための3つのゲートが含まれています。
2. 電子輸送測定研究チームは低温環境下で電子輸送測定を行い、4端子および2端子抵抗測定を含む実験を実施しました。低周波ロックイン技術を用いて、異なる温度と磁場下での抵抗変化を測定しました。実験結果から、ゼロ変位場では相関現象は観察されませんでしたが、変位場を印加してモアレバンドのファンホーブ特異点（van Hove singularity, VHS）が半充填に近づくと、超伝導領域が現れることが確認されました。超伝導状態は、反強磁性（AFM）秩序によるフェルミ面再構築が起こると考えられる金属状態に隣接する限られた領域で観察されました。
3. 超伝導と磁性相の相互作用垂直磁場を印加して超伝導を抑制することで、研究チームは超伝導と磁性相の相互作用をさらに調査しました。実験データから、超伝導と磁性相の間に明確な境界が存在し、スピン揺らぎを介した超伝導に類似した振る舞いが観察されました。研究チームはまた、変位場が状態密度および波数依存の磁化率に及ぼす影響を理論計算により分析し、変位場が増加すると磁化率が増加するが、フェルミ面のネスティング性が低下することを発見しました。これは、臨界変位場を超えるとストーナー基準（Stoner criterion）が満たされ、磁性秩序が生じることを示唆しています。
4. 温度依存性の研究研究チームは、超伝導の温度依存性も調査しました。実験結果から、温度が上昇すると超伝導領域が徐々に縮小し、最終的には磁性相に関連する抵抗増加領域のみが残ることが確認されました。この現象は、超伝導と磁性相の密接な関係をさらに裏付けるものです。
結論と意義本論文では、5.0°ねじれ二層WSe₂において初めて超伝導が観察され、最高臨界温度が426 mKに達することが報告されました。この発見は、モアレ平坦バンド超伝導がグラフェン構造に限定されないことを示しており、TMDsに固有の特性がより広範な超伝導パラメーター空間の探索を可能にすることを示唆しています。また、超伝導と磁性相の相互作用が明らかになり、スピン揺らぎが超伝導ペアリングにおいて重要な役割を果たしている可能性が示されました。この発見は、二次元材料における強相関現象の理解に新たな視点を提供し、将来の新型超伝導材料の設計に重要な指針を与えるものです。
研究のハイライトねじれ二層WSe₂で初めて超伝導を観察：この発見は、モアレ平坦バンド超伝導の研究範囲を拡大するものです。
超伝導と磁性相の相互作用：超伝導と磁性相の密接な関係が明らかになり、スピン揺らぎが超伝導ペアリングにおいて重要な役割を果たしている可能性が示されました。
温度依存性の研究：超伝導の温度依存性を調査することで、超伝導と磁性相の関係がさらに裏付けられました。
その他の価値ある情報研究チームは、ドライトランスファー法とRuCl₃ドーピング技術を用いた新しいデバイス作製方法を開発しました。この方法は、将来の他の二次元材料における相関現象の研究に重要な指針を提供するものです。
本論文の研究は、二次元材料における超伝導の理解に新たな視点を提供するだけでなく、将来の新型超伝導材料の設計に重要な指針を与えるものです。