Establishment of global phase coherence in a highly disordered fractal MgO/MgB2 nanocomposite: Roles of interface, morphology and defect

混沌から秩序を生み出す魔法

電子と呼ばれる、目に見えないほど小さな車のためのスーパーハイウェイを建設しようとしているところを想像してみてください。ほとんどの材料では、これらの車は凸凹に衝突したり、渋滞に巻き込まれたり、あるいは完全に停止してしまいます。しかし、超伝導体と呼ばれる特別なクラスの材料では、これらの電子はチームを組み、摩擦なしで滑るように移動し、完璧な効率で電気を運びます。これは、損失のない送電網、驚異的に高速なコンピュータ、そして列車を浮上させるほど強力な磁石をもたらす可能性があるため、物理学における「聖杯」とされています。

しかし、一つ問題があります。通常、このスーパーハイウェイが機能するためには、道路が完全に滑らかで均一である必要があります。もし材料が乱雑で、亀裂だらけであったり、他の物質が混ざり合っていたり（無秩序状態）すると、電子のチームはバラバラになり、スーパーハイウェイは崩壊してしまいます。科学者たちは長い間、こう疑問を抱いてきました。「もし道路が混沌とした、ごちゃ混ぜの塊であったとしても、スーパーハイウェイを建設することは可能なのだろうか？ 具体的には、岩が非常に特殊で複雑なパターンで配置されているならば、見た目がランダムな岩の山のような材料であっても、完璧に電気を導くことができるのだろうか？」 本論文はこのまさにその問いを掘り下げ、2種類の異なる材料の乱雑な混合物が、どのようにして単一の完璧な超伝導体として機能し得るのかを探求しています。

フラクタル・スーパーウェブの物語

この研究において、科学者チームは、まるで台所の実験が失敗したかのような、しかし物理学の奇跡へと変貌した材料を作り出しました。彼らは、通常は絶縁体（電気を遮断する材料）である酸化マグネシウム（MgO）を、既知の超伝導体である二ホウ化マグネシウム（MgB2）と混ぜ合わせました。彼らは単にランダムに混ぜたのではなく、高温高圧下で共に調理し、一つの固形ブロックを作り上げました。その結果、超伝導体であるMgB2が体積のわずか30%を占め、残りの大部分を絶縁体であるMgOが占めるという「ナノコンポジット（ナノ複合材料）」が誕生しました。

通常、超伝導体が70%の絶縁体と混ざっている場合、電気は行き詰まってしまうと予想されます。超伝導部分は、電気を通さない水の海の中に浮かぶ孤立した島々のようになるはずです。しかし、この材料は単なる島の集まりとしては振る舞いませんでした。その代わりに、単一の巨大で堅固な超伝導ブロックとして機能したのです。電子は、周囲が「死んだ」領域に囲まれているにもかかわらず、材料の30%全体を通じて抵抗なく流れることができました。

秘伝のソース：フラクタル・ウェブ
どのようにして彼らはこれを成し遂げたのでしょうか？ 著者らは、特殊な3Dカメラ（F FIB-SEMと呼ばれます）を使用して、ブロックの内部を一層ずつ撮影し、その後コンピュータ上で全体を再構築しました。彼らは、MgB2が単にランダムに散らばっているのではないことを発見しました。それはあらゆる方向に広がる複雑で絡み合ったウェブ（網）を形成しており、どの角度から切り取っても同じように見えることが分かりました。この形状は「フラクタル」と呼ばれます。

フラクタルをブロッコリーの房や稲妻のように考えてみてください。ブロッコリーの一部をズームアップしても、それはブロッコリー全体の形と同じに見えます。この材料において、超伝導の経路は、約1.67という特定の数学的な「フラクタル次元」を持つ自己相似的なパターンでねじれ、曲がりくねっています。この形状が極めて重要なのは、それが混沌の中を通る連続的でうねるような経路を作り出し、超伝導の「交通」が絶縁体の海を通り抜ける道を見つけられるようにするからです。

宇宙で最もクリーンな握手
しかし、島と島をつなぐ橋が壊れていれば、どれほど曲がりくねった経路があっても意味がありません。科学者らは次に、超強力な顕微鏡（STEM）を用いて、MgOとMgB2が接する境界を観察しました。そこで彼らは驚くべき発見をしました。その界面は「原子レベルでクリーン」だったのです。

2つのパズルピースが組み合わさる様子を想像してみてください。通常、異なる材料を混ぜ合わせると、エッジが乱れ、接続を遮断する層（アモルファス材料、いわゆる「糊」や「塵」のようなもの）で覆われてしまいます。しかしここでは、エッジは完璧に鋭くクリーンであり、一方の材料の原子がもう一方の原子とほぼ完璧に整列していました。ある境界は鏡のように平坦であり、またある境界は階段のように小さな「テラス」や「ステップ」を持っていました。間に乱雑な「糊」が存在しなかったため、電子は超伝導部分から絶縁部分へと、途中で止まることなくジャンプすることができたのです。これは「近接効果」と呼ばれ、超伝導の力が通常の材料へと漏れ出す現象です。

酸素による見えないハイウェイ
ここからが最も驚くべき部分です。MgOの部分は絶縁体であるはずであり、電流を運ぶための電子を持っていません。では、電子はどうやってMgOのセクションを通り抜けて、一つのMgB2の島から別の島へと移動できたのでしょうか？

チームは、特殊な光の下で材料がどのように光るかを捉える、キャソドルミネッセンス（CL）と呼ばれる手法を用いました。彼らは、MgOが完全ではなく、「酸素空孔」で満たされていることを見出しました。レンガ壁でいくつかのレンガが欠落している様子を想像してください。これらの欠落した箇所（空孔）は、踏み石として機能します。科学者たちは、これらの欠落した酸素のスポットがランダムに散らばっているのではなく、超伝導体であるMgB2のすぐ隣に、長くうねるチャネル（通路）を形成していることを発見しました。

これらのチャネルは、目に見えないハイウェイとして機能します。電子は「コヒーレント・タネリング（可干渉トンネル効果）」という量子力学的なトリックを用いて、これら欠落した酸素のスポットの上をサーフィンするように進むことができます。それはまるで、電子が欠落したレンガの波に乗って移動しているかのようで、これにより絶縁体の中を長距離移動することを可能にしています。これが、超伝導の力を一つのMgB2の島から次の島へと広げ、ウェブ全体を連結させているのです。

結論：グローバルなチームワーク
研究者らは、磁石と電気を用いてこの材料をテストしました。その結果、温度が約38.5ケルビン（マイナス235℃付近）を下回ると、材料は完璧な超伝導体になることが分かりました。それは単なる小さな超伝導の島の集まりとしてではなく、一つの巨大で堅固なブロックとして機能しました。磁場は完璧に遮断され、電気は抵抗ゼロで流れたのです。

論文によれば、これは「階層的量子干渉」によって起こると示唆されています。これは、電子が超伝導の島と絶縁体のチャネルの間を行ったり来たりしながら、タイミングを完璧に同期させているという、高度な言い回しです。フラクタル形状、クリーンな原子境界、そして酸素空孔のハイウェイのすべてが連携して、グローバルな「位相コヒーレンス（位相の可干渉性）」を生み出しています。つまり、材料が乱雑な岩の山のように見えても、電子たちは全体にわたって同じリズムで踊っているのです。

これが意味すること（そして意味しないこと）
著者らは、この現象が存在することを「示し」、酸素空孔とフラクタル形状がその理由であることを「示唆した」のだと、非常に慎重に述べています。彼らはまだ新しい送電網を建設したわけでも、すべての超伝導体の謎を解明したわけでもありません。しかし、完璧な結晶を得ずとも、完璧な超伝導体を得ることができるのだということを、彼らは証明しました。高度に無秩序で乱雑な材料であっても、その無秩序が適切な形状（フラクタル）と適切な原子結合（クリーンな界面と空孔チャネル）を備えていれば、依然としてグローバルな超伝導を実現できるのです。

この発見は、混沌とした群衆であっても、特定のうねるようなパターンで配置され、非常に特定の方法で手を繋いでいれば、依然として完璧に足並みを揃えて行進できることを突き止めたようなものです。これは、脆弱で完璧であることを求めるのではなく、堅牢で柔軟な新しい材料を設計するための扉を開くものであり、実世界において超伝導の力を利用するための新たな方法へとつながる可能性を秘めています。