Observation of the electronic Pomeranchuk effect in generalized Wigner crystals of twisted MoS$_2$

現代物理学の広大な風景の中で、わずか数原子の厚さしかない材料の中で静かな革命が起きている。何十年もの間、科学者たちは「フラットバンド」という概念に魅了されてきた。これは、電子が通常持っている素早く駆け巡る自由を失い、まるで濃い糖蜜の中を進むかのように、鈍く動くようになる状態である。電子がこのようにゆっくりと動くと、彼らは独立した粒子として振る舞うのをやめ、互いに反発し合う力の強さに大きく影響されながら、一つの集合的なグループとして振る舞い始める。この反発力は、人々が混雑した部屋で互いに距離を取るように、電子を硬い結晶パターンへと整列させる。通常、熱はこのような秩序にとっての敵である。システムを温めることは、通常、これらの繊細な構造を無秩序な流体状態へと溶かしてしまう。しかし、自然界は時に私たちの直感に仕掛けを施し、熱が逆の効果をもたらすことを許すことがある。つまり、熱は固体を溶かすのではなく、むしろそれを凍らせるものとなり得るのである。

ポンチャレンコ効果として知られるこの直感に反する現象は、液体のヘリウムで初めて観察された。そこでは、液体を温めることが実際に固化を引き起こした。現在、研究者たちは全く異なる領域において、同様の効果を発見した。それは、ねじれた二硫化モリブデンの層からなる合成結晶である。この材料の層をわずかに回転させて積み重ねることで、電子を閉じ込める丘と谷の繰り返しパターンを作り出した。復旦大学と西湖大学の科学者たちを中心とするチームは、特定の電子密度において、絶対零度に近い状態から絶対零度より約10度高い温度までこの材料を加熱すると、電子の流体が溶けるのではなく、熱が電子を高度に秩序化された絶縁体結晶へと引き起こすことを発見した。この発見は、熱と無秩序がいかにして共に働き、安定性を生み出すことができるかという新たな方法を明らかにし、物質が限界に押し付けられたときにどのように振る舞うかについて、新鮮な視点を提供している。

研究者たちは、まず非常に特殊なタイプのデバイスを構築することから始めた。彼らは、硫黄とモリブデン原子のサンドイッチのような見た目を持つ二硫化モリブデンの単層を2枚取り、それらを重ね合わせた。彼らはそれらを完全に一致させたのではなく、一方の層を他方に対してわずかに回転させ、「モアレ超格子」と呼ばれる大規模な干渉パターンを作り出した。このパターンは、電子を捕らえるための新しい、より大きなグリッドのようなものであり、トラップの間隔は回転角によって決定される。彼らのデバイスの一つは4.1度、もう一つは3.9度の角度で層を回転させた。実験に必要な極低温においても、端の部分で信号が失われることなく電気の流れを正確に測定できるようにするために、彼らはビスマスという特殊な金属を使用して、電子がスムーズに出入りできるコンタクトを作成した。

デバイスの準備が整うと、チームは熱的な揺らぎがほとんど存在しない温度である1.5ケルビン（絶対零度直上の温度）まで冷却した。そして、電子のトラップに精密な数の電子を充填した。彼らは、利用可能なスポットに対して電子が3つにつき1つの場合と、4つにつき1つの場合の2つの特定のシナリオに焦点を当てた。これらの超低温において、電子は流体として振る舞った。彼らは自由に動き、電気抵抗は科学者が「フェルミ液体」として認識する予測可能なパターンに従った。これは、電子が穏やかに流れる川のように振る舞う状態である。これは期待通りの挙動であり、システムは導電性のある金属であった。

次に、研究者たちはサンプルをゆっくりと温め始め、温度を1.5ケルビンから60ケルビンに向けて徐々に上昇させた。その過程で、奇妙なことが起こった。電子がより速く動くにつれて抵抗が低下したり一定に保たれたりする代わりに、抵抗が急激に上昇し始めたのである。温度が約13ケルビンに達したとき、材料は導体から絶縁体へと変貌を遂げた。さっきまで自由に流れていた電子が、突然動きを止め、その場に固定されたのである。これは、物体を加熱したときに通常起こることとは逆である。通常、熱は結合を断ち切り、液体を作るためのエネルギーを提供するものである。ここでは、熱がシステムをより固体へと向かわせる原動力となっていた。

この説明は、電子の中に存在する隠れた形の無秩序にある。電子には「イススピン」と呼ばれる性質があり、これは電子の「スピン」と、材料の構造内における「バレー（谷）」の位置の組み合わせと考えることができる。電子が低温で自由に流れているとき、彼らは秩序立ててペアを組む傾向があり、それが彼らの内部状態を比較的組織化され、エントロピー（無秩序さ）が低い状態に保っている。しかし、電子が特定の場所に座って結晶を形成するように強制されると、彼らは互いに離れ離れになる。この距離が相互作用を弱め、彼らの内部のイススピン状態をランダムな方向に回転し、向く自由な状態にする。このランダムさが、膨大な量のエントロピーを生み出す。

熱力学の法則によれば、システムは自然に最も高いエントロピーを持つ状態を求める。低温では、結晶を形成するためのエネルギーコストが高すぎるため、電子は流体のままでいる。しかし、温度が上昇すると、システムはそのコストを支払うのに十分な熱エネルギーを得る。一度支払われると、システムは「凍結した」結晶状態の方が、流体状態よりもはるかに高いレベルの内部無秩序を提供することに気づく。熱は、結晶状態の方が内部においてよりカオス的になれるため、電子を結晶へと押しやるのである。これが電子版のポンチャレンコ効果である。システムは、固体の状態の方が流体の状態よりも無秩序であるために凍結するのである。

チームは、磁場を印加して電子がどのように反応するかを観察することで、この挙動を確認した。彼らは、電子が確かに特定のパターンにロックされ、「一般化されたウィグナー結晶」を形成していることを突き止めた。3分の1充填の場合、電子は三角形のパターンに配列し、4分の1充填の場合は縞模様のようなパターンを作った。研究者たちはまた、材料が磁場に対してどのように反応するかを測定し、電子が磁場に対して非常に敏感であることを発見した。これは、電子の内部状態が確かにこの転移の鍵であることを裏付けている。磁気応答の強さは、電子が物理的に固定されている間も、彼らの内部の自由を保持するような振る舞いをしていることを示唆していた。

この発見は、この奇妙な熱力学的トリックが、単純なシステムや特定の整数の電子数に限定されないことを示している。これは、電子密度が利用可能なスポットの3分の1や4分の1といった分数であっても機能する。これは、運動のエネルギーと反発のエネルギーの間の競争が、熱によって様々な条件下で覆され得る繊細なバランスであることを示唆している。研究者たちは、層を回転させた特定の角度（4.1度と3.9度）が、この効果が起こるための正しい環境を作り出す上で極めて重要であったと指摘した。もし層の回転角が異なっていれば、このバランスが変化し、効果が現れなかったかもしれない。

この研究の意義は、単一の材料の理解にとどまらない。それは、物質が安定性の限界に押し付けられたときにどのように自己組織化するかを探求するための、科学者への新しいツールを提供している。熱が二次元材料における結晶化を駆動できることを示すことで、本研究は、温度を変えるだけで導体と絶縁体の状態を切り替えられる新しい電子デバイスの設計への扉を開くものである。また、熱と無秩序がいかにして共に働き、安定性を生み出すことができるかという、電子の相互作用を支配する根本的な規則についての理解を深めるものである。研究者たちは、この効果が現れる他の分数状態を探求し、これら回転した結晶が異なる条件下でどのように振る舞うかの全容をマッピングしようと、研究を継続する計画である。

結局のところ、このねじれた二硫化モリブデンの物語は、原子スケールにおいては日常世界のルールが必ずしも適用されないということを思い出させてくれる。単純な加熱プロセスに見えるものが、適切な条件下では、流体を固体に変える「凍結剤」として機能し得るのである。この実験における電子は、単に熱に反応したのではない。彼らは熱を利用して、より安定した新しい存在の形を見出したのである。この電子的ポンチャレンコ効果は、最も直感に反する結果こそが最も多くのことを明らかにするという、量子世界の複雑さと美しさの証である。