研究者らがグラフェン中の超流動体が運動を止め、超固体—固体のような秩序と摩擦のない流れを融合させた量子相—へ移行するのを目撃した。このブレークスルーは、特定の条件下の二層グラフェンで達成され、量子物質に関する長年の仮定に挑戦する。Natureに掲載された知見は、人工的な制約なしのこのような相の初の自然観測を示す。
量子物質はしばしば古典的な期待を裏切る。1世紀以上前、科学者らは超低温のヘリウムが超流動体になり、抵抗なく流れ、容器の壁を登るなどの奇妙な特性を示すことを発見した。数十年にわたり、研究者らはこのような流体をさらに冷却した場合、何が起こるか—結晶構造を持ちながら液体のような性質を持つ超固体を形成する可能性—を考え続けた。コロンビア大学のCory Dean氏とテキサス大学オースティン校のJia Li氏が率いるチームは、二層グラフェンを使った実験でこれに取り組んだ。原子1枚分の厚さのカーボンシート2枚を積層し、一方を余分な電子、もう一方をホールで調整することで、エキシトン—強磁場下で集団的に超流動体として振る舞う準粒子—を作成した。エキシトンの密度と温度を調整すると、予期せぬ変化が発生した。高密度ではエキシトンが自由に流れ、低密度にすると流れが止まり、システムが絶縁体—固体のような状態—に変わった。次に温度を上げると超流動挙動が復活し、典型的な相転移が反転した。「初めて、超流動体が相転移を起こして超固体のように見える状態になるのを観測した」とDean氏。「超流動性は一般に低温基底状態と見なされる。絶縁相が超流動体に溶融するのを観測するのは前例がない。これは低温相が非常に異常なエキシトン固体であることを強く示唆する」とLi氏。チームにはYihang Zeng氏（現在パデュー大学）が含まれており、輸送測定でこれらの変化を検出した。Dean氏は限界を指摘：「絶縁体を調べる能力が少し止まるので、ある程度推測せざるを得ない」。将来の研究では、他の2D材料を探求し、より軽いエキシトンで高温での超固体を可能にし、磁場なしを目指す。この発見はグラフェンが量子相を探る役割を強調し、異質物質状態の理解を進める可能性がある。