アメリカの物理学者は、「魔法の」角度で回転したときの二層グラフェンの超伝導を定性的に説明するモデルを提案しました。一方、このモデルでは、隣接する層からの電子が光学フォノンの交換によって引き付けられ、クーパー対を形成します。一方、クーロン反発は、電子のペアリングを防ぎ、グラフェンの臨界温度を下げます。記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、作品のプレプリントはarXiv.orgWebサイトに掲載されています。
今年の3月、Pablo Jarillo-Herrero（Pablo Jarillo-Herrero）が率いる科学者のグループは、2層グラフェンを「魔法の」角度で回転させると、2層グラフェンが超伝導体になることを予期せず発見しました。 「マジック」角度は、材料のフェルミ速度がゼロに低下する角度です。2層グラフェンでは、最初の「マジック」角度は1.1度に近くなります。このような超伝導体の臨界温度は約1.7ケルビンであり、その特性は高温超伝導体（たとえば、よく知られている銅酸化物）を彷彿とさせます。当時、物理学者は二層グラフェンの他の異常な特性も知っていたという事実にもかかわらず[1、2]、超伝導の発見はまったく予想外でした。理論モデルではこの奇妙な現象を説明できませんでした。
Ivar Martinが率いる物理学者のグループは、二層グラフェンの超伝導を説明できるモデルを提案しました。 Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理論で説明されている従来の超伝導体と同様に、提案されたモデルでは、電子をクーパー対に結合してボーズ凝縮を形成できる電子-フォノン相互作用によって超伝導が発生します。ただし、モデルの詳細は「従来の」超伝導とは異なります。
クーパー対の形成メカニズムを説明する前に、科学者たちは、二層グラフェンを伝播する準粒子電子のエネルギーを説明するモアレハミルトニアンについて考察しました。このために、物理学者は上層または下層の電子の動きだけでなく、層間のトンネリングも考慮に入れました。ハミルトニアンの名前は、角度θだけ回転したグラフェンシートによって形成されたモアレパターンに由来しています。このようなパターンは、その定数がグラフェンシートの元の六角形格子の定数よりも1 / 2sin（θ/ 2）倍大きい三角格子を使用して近似的に説明できます。あなたはイゴール・イワノフによる問題のモアレパターンについてもっと読むことができます。科学者たちは、システムの対称性とトポロジー特性を使用して、結果として得られる導体のバンド構造を計算しました。予想通り、角度θに強く依存します。特に、「マジック」角の近くでは、エネルギーバンドが実質的に平坦になり、電子の状態密度が増加し、準粒子間の相互作用が無視できなくなります。さらに、1つのゾーン内では、電子のエネルギーが異なり、そのパルスの大きさは一致しますが、方向は異なります。したがって、1つのゾーン内でのクーパー対の形成はエネルギー的に不利であり、物理学者はそれを無視しています。
座標（左）または運動量（右）空間における2層グラフェンの構造
マジック角で回転した2層グラフェンのバンド構造
次に、研究者は、二層グラフェンで発生するフォノンモードのいくつか（たとえば、平面に垂直または平行なせん断層のモード）を調べ、クーパー対の形成への寄与を推定しました。最大の効果は、位相が一致していない原子の振動を表す光学フォノンに関連していることが判明しました（大まかに言えば、一方の原子が左に移動し、もう一方の原子が右に移動します）。フォノンモードでの相互作用のハミルトニアンを統合することにより、科学者はBCS理論と同様の理論を取得し、粒子のエネルギーと化学ポテンシャルに応じてペア形成の確率を計算しました。ペア形成の速度は、粒子がs波（ペアの全角運動量L = 0）またはd波（L = 1）のどちらで散乱するかによって異なります。したがって、最初のケースでは、臨界温度です。 10ケルビンに達し、2番目のケースでは3ケルビンに達します（角度が「魔法」に近い場合）。この場合、可能な最大状態密度は、1平方ナノメートルあたり約10電子ボルトです。したがって、システムは密結合モードにあります（つまり、電子の相互作用を表す結合定数は1のオーダーです）。
光学モードに対応する格子振動の種類
これは、最大超伝導温度が2ケルビンを超えなかった実験データと矛盾します。したがって、物理学者は、2層グラフェンのバンド構造が電子正孔非対称性を持っていることに気づきました。したがって、理論はパラメータの調整に敏感です。さらに、状態密度が高いため、電子間のクーロン反発を考慮する必要があります。これにより、電子がクーパー対に集まるのを防ぎます。この研究では、科学者たちは、電子が同じ（オンサイト反発）または異なる（最近傍反発）量子状態で反発する現象論的モデルを検討しました。最初のタイプの反発は、s波での散乱によってクーパー対の形成を抑制し、2番目のタイプはd波での散乱を抑制します。それぞれの反発のエネルギーを選択することで、実験データを再現することができました。したがって、科学者は、彼らの理論が2層グラフェンで発生するプロセスを定性的に説明していると信じており、粒子の位相に敏感な実験を使用してペアを追跡することを提案しています。
臨界温度の粒子のエネルギーへの依存性（上）、状態密度の粒子の化学ポテンシャルへの依存性（下）
上のプロット：s波での散乱の臨界温度とクーロン反発の非ゼロエネルギーの依存性（右に行くほど、エネルギーは低くなります）。下のプロット：d波散乱についても同じ
超伝導は100年以上前に初めて発見されました。1911年、ヘイケ・カメルリング・オンネスは、約3ケルビンの温度で水銀の抵抗がゼロに低下することを発見しました。それにもかかわらず、物理学者は、特定の物質が超伝導体になる理由をまだよく理解しておらず、常に新しい異常な効果を発見しています。たとえば、2016年6月、日本とオランダの物理学者は、セレン化ビスマスベースの超伝導体では、上限臨界磁場が結晶の方向に強く依存することを発見しました。この非対称性は、これまで超伝導体では観察されていませんでした。 2018年3月、米国とドイツの研究者は、臨界温度を超えると、BaFe2As2の組成を持つ超伝導体に圧電磁性相が現れることを発見しました。この超伝導体では、結晶の磁気特性が延伸時に変化します。これまでのところ、理論家はこれらの特性を説明することはできません。そして9月、2つの物理学者グループが同時に、摂氏-13度の温度と200万気圧の圧力で、水素化ランタンLaH10が超伝導状態になると報告しました。このように、科学者たちは室温でほとんど超伝導に近づいています（しかし、彼らの発見は実際には適用できません）。 「臨界温度以下」の資料で、実験的にテストされた、または理論上のみ存在する超伝導のさまざまなメカニズムについて読むことができます。
昨日、ネイチャー誌は科学の分野で10人の主要人物を指名しました。このリストには、二層グラフェンの「魔法の」超伝導特性の発見者である21歳の物理学者YuanCaoも含まれています。
