Signatures of a ferro-Josephson effect in twisted graphene

現代のエレクトロニクスの世界において、科学者たちは、電子の微小な磁気スピンを操作することによって、新しい方法で情報を伝達できる材料を常に探し求めています。数十年にわたり、主要な焦点は、異なる磁気配列を持つ領域間の境界、すなわちドメイン壁にスピンが遭遇したときに、それらがどのように振る舞うかに置かれてきました。標準的な磁性材料では、そのような壁に電流を流すと、通常は壁が滑ったり、あるいは引っかかったりするだけであり、これは摩擦のような力によって引き起こされるプロセスです。しかし、よりエキゾチックな可能性が存在します。それは、電流の流れが単に壁を動かすだけでなく、その壁の中にある磁気モーメントを、リズムを刻むように揺らしたり回転させたりさせるというものです。このリズムを伴う運動は、もし発生すれば、通常の抵抗とは根本的に異なる方法で電圧を発生させ、電流の強さではなく、スピンの回転速度に結びついた信号を生み出す可能性があります。この現象が新しい材料において観察され、制御できるかどうかを理解することは、電子スピンの精密な操作に依存する将来のテクノロジーの開発にとって極めて重要です。

研究チームは、ねじれたグラフェンの層からなる特殊なデバイスにおいて、この効果の強力な証拠を新たに発見しました。単層のグラフェンを3層の同じ材料の上に積み重ね、それらを互いにわずかにねじることで、電子が高度に協調し、集団的に振る舞う構造を作り出しました。このデバイスを極低温まで冷却し、特定の電気的設定を適用したところ、材料が自発的に異なる磁気配向を持つ領域を発展させていることが分かりました。最も驚くべき発見は、材料の表面に対して平行に微小な磁場を印加したときに起こりました。磁場がちょうどゼロのとき、デバイスの電気抵抗が劇的に急上昇しましたが、これは小さな電流が流れているときにのみ発生しました。電流をオフにした途端に、このスパイク（急上昇）は消失しました。この挙動は、電流自体が磁気境界を回転させ、電気の流れに抵抗する動的な状態を作り出していることを示唆していました。

研究者たちは、この抵抗のピークが磁場の方向と強さに対して非常に敏感であることを観察しました。わずか数百マイクロテスラ程度の弱い磁場であっても、この効果を抑制し、磁気境界を固定された位置にロックさせるのに十分であり、電流がそのロックを克服できるほど強くなるまで、境界は動きませんでした。この閾値電流は磁場に対して線形に成長しましたが、この関係は、著者らが「フェロ・ジョセフソン効果」と呼ぶ現象の理論的予測と一致していました。このシナリオでは、電流はトルクとして作用し、壁の中にある磁気モーメントをねじろうとします。磁場がゼロのとき、モーメントは自由に回転することができ、この回転運動が電圧降下を生み出し、それが鋭い抵抗のピークとして現れます。小さな磁場が印加されると、それはブレーキとして機能し、電流がその保持を打破して回転を再開できるまで、モーメントをその場に留めます。研究者たちは、この効果が単に電流による材料の加熱や、物理的な障害物への磁気壁の押し付けによって引き起こされているのではないことを確認しました。なぜなら、それらのメカニズムでは、これほど精密な磁場依存性を示したり、電流を取り除いた際にこれほど綺麗に消失したりすることはないからです。

この効果が特定の磁気ドメインの配置に依存していることを証明するために、チームは意図的に材料の磁気状態をリセットする実験を行いました。彼らは、抵抗のスパイクが、特定の磁気領域の混合状態が存在する場合にのみ現れることを発見しました。すなわち、材料の内部構造によって垂直方向にしっかりと固定されたスピンを持つ領域と、水平面内で容易に回転できるスピンを持つ隣接する領域の組み合わせです。研究者が外部磁場を用いてすべてのスピンを同じ方向に整列させると、抵抗のスパイクは消失しました。しかし、磁場をゼロへと掃引すると、回転しやすい領域は方向を反転させる一方で、固定された領域はそのままの状態を維持し、効果を再発させるために必要な境界を再び作り出しました。この挙動により、この現象が、流れる電流とこれら2つの異なる磁気状態の間の境界との相互作用の直接的な結果であることが確認されました。

本研究は、この効果が実験で用いられた最低温度における熱エネルギーよりもはるかに小さなエネルギー・スケールで作動していることを強調しており、これは、電子の集団的な運動によって駆動される純粋な量子力学的プロセスであることを示唆しています。研究者たちは、自分たちの説明がデータに完璧に適合していると述べる一方で、電子が回転する壁とどのように相互作用するかという詳細な仕組みについては、現在も精査が進められているとしています。彼らは、この効果が、これらの材料内部の目に見えない磁気テクスチャを探索するための非常に高感度なツールとなり、電子が複雑な量子系の中でどのように組織化されるかを研究する新しい方法を提供できると考えています。単純な電流が磁気境界の、リズムを刻むような回転運動を誘発できることを示したこの成果は、将来の電子デバイスにおける、これらの微妙な磁気ダイナミクスを制御し活用する方法を理解するための、新たな章を開くものです。