名古屋大学(名大)は2月15日、「ツイスト2層グラフェン」における、「自発的回転対称性の破れ」の発現機構を新たに発見したと発表した。
同成果は、名大大学院理学研究科の大成誠一郎准教授、同・紺谷浩教授らの研究チームによるもの。詳細は、米物理学会が刊行する主力学術誌「PhysicalReviewLetter」に掲載された。
ツイスト2層グラフェンは、グラファイト(黒鉛)の1原子分の厚さのシート状物質であるグラフェンを、わずかに回転させて2層に積層した物質であり、モアレ超格子が形成されるのが特徴で、バンド幅が狭いため、クーロン相互作用が弱いにも関わらず強相関電子系とされている。
また、ゲート電圧や回転角を用いることで、電子数やクーロン相互作用の制御が可能であることから、新しい強相関電子系の舞台として注目されている。特に、魔法角(1.1度)回転したツイスト2層グラフェン(MATBG)では超伝導相が出現することが報告されているほか、最近では回転対称性が自発的に破れた「ネマティック秩序」が観測されたことからも注目を集めるようになっている。
MATBGではスピンの自由度と、巨大分子軌道の軌道角運動量に対応するバレー自由度がほぼ対等であり、両者を混ぜ合わせるような高次元の回転操作が可能であることから、バレー+スピンの複合自由度(4自由度)で、SU(4)対称性を持つこととなるが、固体物理において、このような高次元の対称性が実現する例は珍しく、従来の強相関電子系では実現しない相転移現象(=自発的対称性の破れ)や創発現象が自然に期待されるという。
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2層のグラフェン(赤線と緑線)が重なって生じるモアレ超格子(ツイスト角3.18度)。黒丸はモアレ超格子点、黒線はユニットセルが表されている。ユニットセル内で、多数の炭素原子からなる巨大分子軌道が構成されるため、格子間隔が長い新しい金属となる (出所:名大プレスリリースPDF)
研究チームは、そうしたMATBGのSU(4)対称性に着目し、この系のネマティック秩序の理論的解明に挑んできており、今回、バレー+スピンの複合自由度の量子ゆらぎ(バレー+スピン)が発達する強相関領域において、分子軌道間の飛び移り積分が自発的に変調する、量子相転移「ボンド秩序」が起きることを見出すことに成功したという。
ボンド秩序が起きるとき、MATBGの持つ3回対称性が自発的に破れた、ネマティック状態が生じるという。この機構によって得られたボンド秩序は、異方性の向き(ディレクター)をXY面内で任意に回転させることが可能であり、「XYネマティック秩序」と呼ばれ、ごく弱い一軸性圧力によってネマティック秩序を自由に回転させることが可能であるため、新規デバイスへの応用が期待されるとしている。
また、そのネマティックボンド秩序の発現には、SU(4)対称性に起因するバレー+スピン複合ゆらぎ間干渉機構が重要であることも判明したとする。
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ボンド秩序の例。モアレ超格子点間の飛び移り積分の増加(紫線)、減少(青線)により、3回対称性が破れたネマティック秩序になる (出所:名大プレスリリースPDF)
複合ゆらぎ間干渉機構は、媒質が変化せず振幅や位相のみが変化する、古典的な波の干渉とは著しく異なり、2つの同種の複合ゆらぎが高次多体効果により干渉した結果、もとの複合ゆらぎとは異なるネマティック秩序が発現するという、量子力学的な干渉(量子干渉)機構でだという。また、MATBGでは、SU(4)対称性のために、複合ゆらぎは15重縮退しており、3重縮退したSU(2)スピンゆらぎに比べて、量子干渉に寄与する自由度が多くなることから、複合ゆらぎ間干渉機構によるネマティック秩序は、鉄系超伝導体で提唱されたスピンゆらぎ間干渉機構によるネマティック秩序よりも、強く安定化されることが判明。研究チームでは、複合自由度のゆらぎはf電子系の多極子ゆらぎとも関係しているため、幅広い発展性が期待されるとしている。
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SU(4)複合ゆらぎ間干渉機構のファインマンダイアグラム。赤波線は複合ゆらぎ、青波線はネマティックゆらぎが表されている。2つの複合ゆらぎ間で量子干渉を起こし、ネマティックゆらぎ(秩序)が現れる (出所:名大プレスリリースPDF)
なお、研究チームでは今回の成果について、このネマティック量子ゆらぎは、エキゾティックな物理現象の源であり、例えば超伝導のクーパー対を形成する際の、強力な糊としての役割を果たすこととなるため、MATBGにおける超伝導発現機構の解明のカギを与えること、ならびに強相関電子系高温超伝導体の超伝導転移温度向上につながることも期待されるとしている。
また、今回得られたネマティック秩序はディレクターの制御が可能であるため、新規デバイスへの応用も期待されるとしている。
