２０２０年の気になった論文トップ１０（部品調べ）
今年も色々ありましたね。
色々有りすぎて、脳みそが沸騰してしまいました。
そんな2020年も終わりを迎えました。
そこでこの1年間で気になった論文10選＋αを選んでみました。
今年Cond-matに出た論文は、20447本。そのうち、ぶログにメモした論文は1628本でした。そこから10本選ぶ不毛な作業。累計12時間くらいかけましたね。
いろんな研究が今年も生まれました。おれも人生を生み出していきたい。
【気になった論文トップ１０】
１０位、位相を蓄積できるジョセフソン量子位相電池の提案
A Josephson quantum phase battery
電池は化学反応を電気に変える特性をもち、使いたい場所で電気エネルギーが使える身近な道具であり、リチウムイオン電池や全固体電池電池など、最先端の技術的話題の一つです。
電気の流れ、つまり電流を流すには電位差が必要なため電池が重要ですが、そうなると、「超伝導電流を流すために必要な量子力学的位相は蓄積できるのか？」という、子どものときの夢を叶えたくなりませんか？
そんな「量子位相電池」ともいえるデバイスを実現したのがこの論文です。
不対スピン表面状態をもつn-doped InAsと超伝導Alリードからなるデバイスで、反転対称性と時間反転対称性を同時に破る構造を実現することで定常的な位相差を生み出すことに成功したことを報告しています。
おれも万一に備えて、量子位相の蓄積を始めるか～
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| 位相差バッテリーで動かす電気自動車でエコをやりたいっすね。 |
境界にギャップレス状態が出現することで近年話題のトポロジカル絶縁体ですが、最近ではさらに縁や角に状態が現れる高次トポロジカル絶縁体が盛り上がっています。
一方で、縁や角に電荷を持った状態が現れるメカニズムとして、バルクの電気分極に由来する多極子絶縁体と呼ばれる機構が存在します。縁や角に分数化した電荷を持つ多極子絶縁体は、コレまでメタマテリアルとしてフォトニック系や音響系で実現されていましたが、固体物質としての報告はされていません。実際に存在するのでしょうか？
あります。
食塩です。
食塩、NaClの角に分数化電荷e/8が存在すること、それが原子間力顕微鏡(AFM)で観測可能なことを予言したこの論文は、身近な物質にも注目すべき物性がまだまだ隠れていることを教えてくれる楽しい研究でした。また、理論的な考察だけでなく、実験での検証方法まで提案している点もGood。実験での検証に期待ですね。
なお、目玉焼きには塩とコショウ。異論は認めない。
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| まさか塩に高級な物性があるなんて。実験期待。 |
８位、磁場侵入長の磁場依存性から超伝導ギャップ構造を調べる
Probing unconventional superconductivity using the field dependent magnetic penetration depth
超伝導体は磁場を排除する性質、いわゆるマイスナー効果を持っていますが、ある有限距離だけ磁場が侵入することができます。それが磁場侵入長と呼ばれる物理量です。
この磁場侵入長の温度依存性は超伝導体の超伝導ギャップ構造を反映するため、超伝導メカニズムを探る上で重要な測定となります。例えば、ギャップが運動量空間で当方的に開いたフルギャップ超伝導体では温度低下とともに磁場侵入長は指数関数的に減少していきます。一方で、ギャップが部分的に閉じたノードを持つ超伝導体では温度に対して線形に変化します。ここにさらにマルチバンド性や不純物効果を考慮することで議論は複雑になりますが、超伝導対形成メカニズムを間接的に探ることのできる強力な測定手法です。
そんな磁場侵入長の温度依存性測定ですが、興味深い非従来型超伝導体は転移温度が低いことが多く、ノードがあるのか、非常に小さい有限のギャップが存在するのか区別するのが難しいことがあります。
そこでこの論文では、「磁場侵入長の磁場依存性」を調べるという、ありそうでやられてなかった測定によりこのギャップ構造を明らかにできることを報告しています。
ギャップ構造測定はARPESやSTM、NMRや光学伝導度、中性子散乱、熱伝導度、比熱と様々な方法が提案されていますが、新しい手法が加わり、超伝導研究がさらに進みそうですね（なお転移温度が高い物質には適用できない手法の模様）。
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| こういうはっきりと差の出る研究おもしろいですよね。 |
７位、磁場かけながら結晶合成したら新しい物性が生じるんだが？
Quest for New Quantum States via Field-Editing Technology
強相関電子系は超伝導や巨大磁気抵抗や量子スピン液体など様々な現象を示すことが、理論的に予想されています。ところが実際の物質では理論の予想通りにならない事が多いです。これは、ひとつにはこれら物質の電子状態が僅かな結晶構造の歪に敏感だからです。そのため、キャリア量を変化させるために元素置換などをすると結晶構造も変わってしまい狙った物性が出ないことも多くあります（悲しい）。
そこでこの論文では、スピン軌道相互作用の強い強相関電子系に対して｢磁場をかけながら結晶育成」することで、従来的な結晶育成手法では実現できな結晶構造の歪みを実現することに成功したことを報告しています。特に、Ba4Ir3O10, Ca2RuO4, Sr2IrO4といった強相関電子系物質にこの手法を適用し、抵抗率を10万倍変化させたり、新たな磁気転移を生み出したりと、まさにGame changeな手法となっています。
Arxivに出たときはメッチャワクワクしたんですが、使える物質系が限られるのが難点でしょうか？とはいえ、案外効果あるかもしれないので銅酸化物とか3d遷移金属ペロブスカイトとかにも適用してみてほしいですね。
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| 図の気合の入れようと隠しきれぬパワポ感、そして圧倒的実験結果…好き！ |
６位、電子-マグノン相互作用による超巨大バンド繰り込みの発見
Colossal band renormalization and stoner ferromagnetism induced by electron-antiferromagnetic-magnon coupling
一般に固体中の電子は電子ボソン相互作用により動きにくくなり、実効的な質量が大きくなります。これをバンド分散の観点からみると、分散が折れ曲がる、いわゆるキンクが生じることになります[1]。固体中の代表的なボソンであるフォノン(格子振動)に由来する電子格子相互作用によるキンクについては銅酸化物（諸説ある）や遷移金属ペロブスカイトなどで観測されていますが、それ以外のものはほとんど報告されていません。
この論文では、(Ba,K)Mn2As2で電子-反強磁性マグノン相互作用由来のキンクを観測し、その折曲度合いが従来物質の4~6倍大きいバンド繰り込みによるものであることを報告しています。
かなり渋い研究ですが、他の物質と比較してデカすぎる電子ボソン結合定数にビックリしてしまい、今回の選出に至りました。デカイよデカイよ～！
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| 結合定数が他のと比べてデカすぎるんだよなぁ |
５位、超伝導体と磁性体を重ねた磁気モアレ構造由来のトポロジカル超伝導
Topological superconductivity in a designer ferromagnet-superconductor van der Waals heterostructure
Moiré-enabled topological superconductivity
トポロジカル量子コンピュータ実現に向けたマヨラナゼロモードの制御は、量子物性研究の一つの潮流になっています。マヨラナゼロモードを伴うトポロジカル超伝導状態の実現方法としてs波超伝導＋磁性/スピン軌道相互作用を組み合わせることで人工的にp波超伝導を創発しよう！というのが一つの指導原理になっています。
前者の論文では、s波超伝導を示す単層NbSe2と強磁性を示す単層CrBr3のヘテロ接合によりこの目的を実現しています。さらに後者の論文では2つの物質を捻って重ねることで磁気モアレパターンを創出し、単に重ねるだけでは実現できないトポロジカル超伝導を創発することに成功しています。2018年にマジックアングルグラフェンが発見されて以来の”捻り”概念が、磁性概念と結びつき磁気モアレパターンという現象に行き着いたことがおもしろく、気になった論文に選出です。
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| モアレの影響がはっきり見えるの面白いすね。 |
４位、磁場誘起ボゴリューボフ準粒子フェルミ面が直接観測できたよ
Discovery of segmented Fermi surface induced by Cooper pair momentum
超伝導体は磁場を印加すると、その磁場を排除するために超伝導電流が生じます。この超伝導電流は超伝導ギャップを部分的に消失させボゴリューボフ準粒子と呼ばれる励起状態を生み出し、フェルミ面を形成すると予想されています。しかし、予想は予想。実験的に観測してこそ理論予想の価値が定まります。
この論文では、これまでトンネル分光や比熱測定から間接的に調べられていたボゴリューボフ準粒子によるフェルミ面を、Bi2Te3/NbSe2の準粒子干渉実験により初めて観測することに成功したことを報告しています。ARPESにはできない磁場印加によるボゴリューボフ準粒子フェルミ面の観測、ポイント高い！ARPESも頑張れ！諦めんな！磁場かけていけよ！
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| やっぱ磁場中の準粒子干渉でフェルミ面を調べられるSTMが最強なんだよなぁ（なお表面） |
３位、話題のスピノンフェルミ面をついに観測
Imaging spinon density modulations in a 2D quantum spin liquid
この論文では、新たに発見した量子スピン液体候補物質、単層1T-TaSe2において、「スピノンフェルミ面が存在すれば、スピノン密度の空間的変調が生じる」という理論的予言をSTM/STSにより実証することで、スピノンフェルミ面の存在を示す強い証拠を得ています。
量子スピン液体のギャップレス励起の存在については、新しい有限熱伝導度物質が見つかったり[1, 2]、冷却速度やサンプル依存性が強い[3, 4, 5]ことがわかったり、と議論が白熱しています。新しい検証方法の提案はこの分野に新鮮な見方を与えてくれることを期待して選出です。
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| よし理論と・・・一致してるな！ |
２位、磁性層と超伝導層が織りなすスピントロニック超伝導
Spintronic superconductor in a bulk layered material with natural spin-valve structure
層状物質で超伝導が生じる場合、超伝導を担う伝導層と間に挟まる非伝導層が存在することがあります。層内方向には自然に超伝導電流が流れますが、層間方向の伝導は自明ではありません。例えば銅酸化物や層間方向の長い鉄系超伝導体では、超伝導層/絶縁層/超伝導層といった構造が形成され、ジョセフソン効果による伝導が生じます。では、超伝導層の間に磁性層を挟んで層間のコヒーレンスを断ち切った時、どのような現象が生じるでしょうか？
この論文では、超伝導層と磁性層がファンデルワールス結合した層状超伝導体EuSn2As2において、面内方向はゼロ抵抗を示すのに対し、Eu層の磁気ドメインが超伝導電流をキャンセルすることで層間方向の抵抗が有限になるという謎の現象が生じることを報告しています。この理屈が本当なら他の磁性層を挟んだ層状超伝導体や、磁性ヘテロ超格子構造でも実現できそうなので追試が望まれますね。もちろん都合の良い物質を見つけるのが大変ですが。層間方向の交流伝導度とか測ったらどうなるのかとか、一軸圧や磁場かけながら冷却して磁気ドメイン揃えたら(揃うのか？)ゼロ抵抗になるのか、とかも気になります。とはいえ、現象としては2020年で一番おもしろかったので2位に選出です。
ｱｸｾﾌﾟﾄﾏﾀﾞｧ-? (・∀・ )っ/凵⌒☆ﾁﾝﾁﾝ
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| 面内と面間方向で転移温度が違うのは銅酸化物でもあるから、現象としてはありえても良い気がしますね。 |
１位、室温を遥かに超えるTc=２８０℃超伝導＠高圧の発見、優勝です。
Hot Hydride Superconductivity above 550 K
今年最高の論文といえばこれ。
アンモニアボランNH3BH3とランタンLaから合成したランタン超水素化物で超伝導転移温度294K(21℃)、さらに温度をあげると化学反応が進むことでTc=556K(283℃)の室温越え超伝導実現を報告する論文です。アチチ。
今年NatureにはTc=15℃の高圧超伝導が発表され、Scienceやガーディアン紙が選ぶ今年の研究に選出されていました。しかし、この論文みてからだと、「やだ…NatureのTc低すぎ…」て悲しくなっちゃいますよね。室温超伝導界の長男こと脳内超伝導と比べると1/4程度のTcしかありませんが、よく頑張ったほうでしょう。次男だけどよくやった。「物質も同定できてなくて怪しい」「再現性が不明」等の批判もありますが、それはNature論文もいい勝負。こちらの論文には固体物性の教科書として有名な「固体物理の基礎」の著者の一人、N. W. アシュクロフトが参戦していることからも信頼性の高さが伺えます。
やっぱり2020年も超伝導で始まり、超伝導で終わった感がありますね。来年こそは常圧安定物質で室温超伝導が実現してほしいものです。
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| うーん、これは283℃超伝導、間違いない。 コロナで最後まで測れなかったという主張も時代感があってよいですね。 |
【その他気になった研究・話題 5選】
・妖しい超伝導
Electric-field induced strange metal states and possible high-temperature superconductivity in hydrogenated graphitic fibers
Boron Content and the Superconducting Critical Temperature of Carbon-Based Materials
今年も妖しい超伝導がいくつか出てきましたね。しかし、脳内超伝導にならぶ研究はなかなか出てこないあたり、新人の登場に期待です。
そんな中出てきたのか、こちらの2つの論文。水素化グラファイトが室温超伝導、B-C化合物がTc=76Kを示すという論文です。怪しさ満点、笑顔も満点の論文達ですが、特に前者の論文は脳内超伝導論文を引用しリスペクトしているあたり、有望な存在です。さらに著者がアメリカ空軍所属というあたりも信憑性を増してくれます。USA! USA!。
室温超伝導の夜明けは近い！
・リトラクト問題
Diamagnetic-like response from localised heating of a paramagnetic material
Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp 2 and sp 3 C Atoms
論文が出たあとに間違いに気づいて撤回することは、研究者としての信頼性に関わり可能な限り避けたいことですが、間違ったまま放置して他の研究者の研究の方向性を誤らせるよりはよほどマシと思われます。
そんな中今年目立ったリトラクトといえば、ルテネイトの電流誘起巨大反磁性とペンタダイヤモンド論文でしょうか。とくに後者は発表直後から複数の研究グループが疑問点をArxivに投稿[1, 2]し、発表から一ヶ月での論文撤回となりました。悲しいね。なかなかダイヤモンドを超える性能を持つ物質の提案は難しいようです。一方で、「金属と磁性を併せ持つ炭素同位体Uカーボン」や「ダイヤモンドよりも硬いアモルファス炭素物質」など新しい炭素物質も続々発見されていることから、夢の物質がみつかることに期待も捨てきれないですね。
[1] Comment on "Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 atoms" arXiv:2007.08912
[2] Comment on "Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 C Atoms" arXiv:2007.09254
・エキシトニック絶縁体論争
The spontaneous symmetry breaking in Ta2NiSe5 is structural in nature
エキシトニック絶縁体は、物質中で電子とホールが束縛状態となり励起子(エキシトン）を形成し、それがBCS/BEC的に凝縮することで系が絶縁体化した状態のことを指します。このエキシトニック絶縁体候補として有力視されているのがTa2NiSe5です。ところがこの物質ではエキシトン凝縮温度付近で格子歪も同時に起きるため、絶縁体化が「エキシトン凝縮に由来する」のかそれとも「単なる構造相転移に由来する」のかという論争が続いています。
この論文はエキシトン凝縮由来説が濃厚だった中で、詳細な時間分解ARPESから格子歪は構造相転移由来だよ説を推すものであり論争に一石を投じています。他にも時間分解ARPESやラマン分光、反射率、STM測定[1-8]など様々な手法で研究が進められていますが、2021年は解決の年となるでしょうか？
[1] Non-Coulomb strong electron-hole binding in Ta2NiSe5 revealed by time- and angle-resolved photoemission spectroscopy
[2] Nature of Symmetry Breaking at the Excitonic Insulator Transition: Ta 2 NiSe 5
[3] Ultrafast melting and recovery of collective order in the excitonic insulator Ta2NiSe5
[4] Direct observation of excitonic instability in Ta2NiSe5
[5] Critical charge fluctuations and quantum coherent state in excitonic insulator Ta2NiSe5
[6] Ultrafast melting and recovery of collective order in the excitonic insulator Ta2NiSe5
[7] Tunneling-tip-induced collapse of the charge gap in the excitonic insulator Ta2NiSe5
[8] Signatures of ultrafast reversal of excitonic order in Ta2NiSe5
・時間結晶（？）論争
時間結晶、ウィルチェックが提案して以来様々な研究がなされてきましたが、基本的には平衡状態では安定的には存在できず、非平衡状態なら似たような現象が実現可能ということで、その手法について様々な方法が検討されたり、その物性が研究されている状況と理解しています。
そんな中、「ウィルチェックのオリジナルの時間結晶を実現できる！」として提案されたBECを利用したカイラルソリトンモデルがPRLに登場しました。研究内容はさておき、こちらの論文に対して反論→再反論→再々反論…と延々と議論が続いており、一体どこまでラリーが続くのか要注目です。以下、終わりなき仁義なき応酬です。
Quantum Time Crystals and Interacting Gauge Theories in Atomic Bose-Einstein Condensates
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Comment on “Quantum Time Crystals and Interacting Gauge Theories in Atomic Bose-Einstein Condensates”
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Öhberg and Wright Reply:
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Lack of a genuine time crystal in a chiral soliton model
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Comment on "Lack of a genuine time crystal in a chiral soliton model" by Syrwid, Kosior, and Sacha
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Response to comment on "Lack of a genuine time crystal in a chiral soliton model" by Öhberg and Wright
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To be continued...
・その他の凄い奴ら（幽遊白書の魔界のS級妖怪達みたいなやつ）
他にも興味深い論文がたくさんありましたね。
三層マジックアングルグラフェン[1, 2]やニッケル酸化物超伝導[5-15]、フェルミ面の多様体分類[16]、高木トポロジカル絶縁体[17]、弱トポロジカル絶縁体[18-23]。。。
君だけの最高の研究を見つけよう！！！
三層マジックアングルグラフェン。二層系のポメラチュンク効果もありましたね。
[1] Tunable Phase Boundaries and Ultra-Strong Coupling Superconductivity in Mirror Symmetric Magic-Angle Trilayer Graphene
[2] Electric field tunable unconventional superconductivity in alternating twist magic-angle trilayer graphene
[3] Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic angle graphene
[4] Isospin Pomeranchuk effect and the entropy of collective excitations in twisted bilayer graphene
ニッケル酸化物超伝導の進展。次はARPESかな？
[5] Superconducting Dome in Nd1−xSrxNiO2 Infinite Layer Films
[6] Two superconducting components with different symmetries in Nd1-xSrxNiO2 films
[7] Aspects of the Synthesis of Thin Film Superconducting Infinite-Layer Nickelates
[8] Phase diagram and superconducting dome of infinite-layer Nd1−xSrxNiO2 thin films
[9] Synthesis and characterization of bulk Nd1-xSrxNiO2 and Nd1-xSrxNiO3
[10] A superconducting praseodymium nickelate with infinite layer structure
[11] Magnetic transport properties of superconducting Nd1−xSrxNiO2 thin films
[12] Synthesis and physical properties of perovskite Sm1−xSrxNiO3 (x = 0, 0.2) and infinite-layer Sm0.8Sr0.2NiO2 nickelates
[13] Phase Diagram of Infinite Layer Praseodymium Nickelate Pr1−xSrxNiO2 Thin Films
[14] Isotropic Pauli-Limited Superconductivity in the Infinite Layer Nickelate Nd0.775Sr0.225NiO2
[15] Surface s-wave superconductivity for oxide-terminated infinite-layer nickelates
トポロジカル分類理論も終わらないコンテンツ
[16] Fermi Surface Geometry
[17] Takagi Topological Insulator with Cellular Boundary Phase Diagram
弱いトポロジカル絶縁体祭り
[18] A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional superconductor TaSe3
[19] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5
[20] Observation of topological electronic structure in quasi-1D superconductor TaSe3
[21] Multiple mobile excitons manifested as sidebands in metallic phase of TaSe3
[22] Visualization of the strain-induced topological phase transition in a quasi-one-dimensional superconductor TaSe3
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