Pomeranchuk-like electronic localization above 100 K in twisted MoS$_{2}$

現代の電子工学における微視的な世界では、科学者たちは原子一つひとつを積み上げ、トランプの束のように薄いシートを重ねることで、電気の流れ方に全く新しいルールを生み出す方法を学びつつある。これら2つのシートを互いにわずかに回転させると、「モアレ超格子」と呼ばれる巨大で繰り返されるパターンが形成される。このパターンは、電子にとって新しい種類のランドスケープ（風景）として機能し、電子を狭い谷間に閉じ込め、そこで電子同士を強く相互作用させる。通常、電子が混み合いすぎたり、温度が低くなりすぎたりすると、それらは硬い絶縁状態へと凍結する。しかし、いくつかの特殊な材料では、加熱することでむしろより強く凍結するという現象が起こる。熱が秩序を壊すのではなく、むしろ強めるというこの直感に反する振る舞いは、数十年前に液体のヘリウムについて最初に予測した物理学者の名にちなんで「ポメランチューク効果」と呼ばれている。このような現象がどのように、そしてなぜ固体材料で起こるのかを理解することは、電気や情報の制御における新しい方法を解き明かす鍵となるが、私たちが容易に到達できる温度でこの効果を明確に示す材料を見つけることは、大きな課題であった。

研究チームは今回、二硫化モリブデン（MoS2）と呼ばれる材料において、この奇妙な現象を観察する方法を見出した。この半導体の2つの層を注意深く積み重ね、非常に特定の角度で回転させることにより、電子が驚くべき振る舞いをするプラットフォームを作り出した。科学者たちは、電子が通常静止している「価電子帯」ではなく、電子が自由に動き回り電流を運ぶ経路である「伝導帯」に焦点を当てた。類似の材料に関するこれまでの研究は主に静止した電子を対象としていたが、このチームは動いている電子の研究に成功した。彼らは、極低温下で材料を傷つけることなく安定した電気的接続を作るという、重大な技術的障壁を克服したのである。彼らは、材料を小さな窓を通して露出させる特殊な設計を用いることで、絶対零度付近から室温までの電気の流れを測定することに成功した。

研究者たちは、約2.3度から3.5度の範囲で、それぞれわずかに異なる角度でねじられた複数のサンプルをテストした。彼らは、電子の振る舞いがこのねじれ角によって劇的に変化することを発見した。最も小さなねじれ角を持つサンプルでは、電子は安定した秩序状態を形成し、それは液体窒素の沸点よりもはるかに高い160ケルビンもの温度まで生存することができた。ねじれ角を中間レベルまで大きくすると、この安定性は崩壊し、秩序状態は20〜30ケルビンの温度付近でしか生存できなくなった。しかし、最も驚くべき発見は、約3.5度という最大のねじれ角を持つサンプルからもたらされた。この特定の構成において、研究者が材料を加熱したところ、予想に反して電子はより自由に動き出すことはなかった。代わりに、熱によって電子はさらにしっかりとその場に留まったのである。これがポメランチューク的な効果の特徴である。熱エネルギーは通常、氷や金属を溶かすものであるが、ここでは逆に、電子を局在化した絶縁状態へと閉じ込めるのを助けていたのである。

この熱によるロック現象は、パターンの繰り返しの単位につきちょうど1個の電子が存在する特定の密度において、特に強く現れた。温度が絶対零度付近から50ケルビンまで上昇するにつれて、材料の電気抵抗が増加し、これは電子がより局在化していることを示していた。さらに驚くべきことに、単位あたり2個の電子が存在する密度においては、信号は弱まったものの、この奇妙な振る舞いは100ケルビンを超える温度でも持続した。研究者たちは、何が電子をその場に留めているのかを理解するために、磁場に対して電子がどのように反応するかをテストした。その結果、この効果は磁場の方向に非常に敏感であることが分かった。材料に対して垂直に磁場をかけると電子はより強く固まり、一方で表面に対して平行に磁場をかけるとほとんど影響を与えなかった。これは、電子がどの方向からの磁場に対してもより等しく反応する、ねじれたグラフェンで見られる同様の効果とは異なっている。この強い差異は、このねじれたMoS2における電子が単に単純なスピンを持っているのではなく、層内の位置や、材料の原子構造に関連する特定の量子特性の複雑な混合によって影響を受けている可能性が高いことを示唆している。

この研究は、これらの電子が通常の電子よりもはるかにゆっくりと移動する「重い流体」のように振る舞っていることを示唆しており、これは「重いフェルミ液体」として知られる物質の状態を示している。研究者たちは、電子が変動する局所的な磁気モーメントを形成しており、熱がこれらの変動を安定させることで、事実上電子を閉じ込めているのではないかと提案している。この発見は、ねじれ角が単に相互作用の強さを上げ下げするためのダイヤルではなく、材料自体の性質を根本的に変えることができるツールであることを示している点で重要である。角度を調整することで、科学者たちは、堅牢な高温秩序、脆弱な中間状態、そして熱が秩序を強化するというこの特異な領域の間を切り替えることができる。この効果が100ケルビン以上の温度で観察できるという事実は、将来の研究に向けた有望な候補となり、複雑な量子状態がいかにして半導体材料の中に創発し、制御され得るかを知るための新しい窓を提供するものである。