遷移金属二カルコゲン化物のモアレヘテロバイレイヤにおける長距離相互作用下での非従来型超伝導性

原子薄の結晶を重ねると意外な性質が現れる理由

原子一枚分の薄さの結晶をわずかに格子がずれた状態で重ねると、モアレ格子と呼ばれる大きなスケールのパターンが生じます。こうした設計材料の中には、電子の動きが遅くなり、相互作用が強くなってエキゾチックな物質状態を形成するものがあり、抵抗なく電流を運ぶ超伝導状態も含まれます。本論文は、WS2とWSe2で作られた特定の積層系が、そのような非従来型の超伝導状態を抱く可能性を、短距離だけでなくより長距離にわたって電子が強く反発する状況でも持ちうるかを検討します。

二つの層状結晶で作る新たな実験場

著者らは、単層に剥離でき、ひねりや小さな格子不整合で重ねられる遷移金属二カルコゲン化物という材料群に着目します。WS2/WSe2の「ヘテロバイレイヤ」では、この積層が三角形のモアレパターンを生み、電子の運動をほぼフラットなエネルギーバンドに再形成します。フラットバンドでは電子の移動が鈍くなり、相互反発の影響が顕著になってモット絶縁体やワイナー様結晶のように電子が秩序化する劇的な状態が現れます。興味深いことに、類似系ではすでに超伝導が観測されていますが、WS2/WSe2自体では実験でまだ確認されておらず、強い長距離反発が対形成を完全に消すのか、それとも適切な条件下で超伝導が隠れているのかが疑問となります。

電子のための単純だが強力なモデルの構築

この問題に取り組むため、研究者たちはモアレ格子のフラットな価電子バンドにおける最も重要な電子状態だけを残した有効モデルを構築します。このモデルでは、電子は三角格子のサイト間をホップし、同一サイトでの強い反発を受け、隣接サイト間にも有意な反発を感じます。さらなる項は長距離ホッピングや、対形成を促す傾向のある微妙な磁気様交換効果を捉えます。単純な平均場手法では強い反発の影響を過小評価しがちなため、チームはグッツワイラー型（Gutzwiller）変分法を用います。これは強いオンサイト反発が二重占有を抑え相関効果を増幅するように、電子の運動と相互作用を効果的に再正規化（形づくる）します。

強い反発があっても対形成が成り立つ仕組み

研究の核心は、超伝導がWS2/WSe2に特徴的な強いサイト間反発とどのように競合し、時に生き残るかを調べることです。隣接する電子が実空間で対を作る図で見ると、サイト間反発は自然に対を妨げ、一方で交換相互作用は対を促進します。計算では、中程度の相互作用領域では現実的な隣接反発の値が超伝導を完全に破壊することが示されます。しかし、オンサイト反発がバンド幅よりはるかに大きくなる強相関領域に入ると状況は変わります。モアレバンドの半分占有付近では相関効果が相互作用を強く再正規化し、効果的な隣接反発が劇的に低下し、交換相互作用が強化されます。その結果、スピン・シングレットとスピン・トリプレットの混合的性質を持つ頑強な超伝導相が現れ、中央のモット絶縁状態の周りに二つの安定ドームを形成します。

格子と環境の微調整

著者らはさらに、第三近接までの長距離ホッピングと交換過程を含めます。これらの追加ホッピングは、超伝導が最も有利になるエネルギーでの電子状態密度を下げ、対形成を弱めますが完全には消しません。電子密度と相互作用強度を走査することで、超伝導が存在するはずのパラメータ領域を特定します：バンド幅の約二倍の強いオンサイト反発と、モアレサイトあたりおおむね一電子に近いやや下または上の電子充填。重要なのは、この窓は電荷秩序化したワイナー様結晶が形成される分数占有と一致しないため、超伝導とこれらの電荷パターンは同一材料の別々の領域で実現されうることを示唆する点です。

将来の超伝導デバイスへの示唆

平易に言えば、本論文はWS2/WSe2が強く長距離にわたる電子反発を持つにもかかわらず、非従来型超伝導の有望な候補であり続けると結論づけます。強いオンサイト相互作用は逆説的に、最も有害な反発部分を弱め、電子を結びつける交換的な相互作用を強化することで対形成を保護します。結果として予測される超伝導状態はトポロジカルで、スピン・トリプレット対形成が優勢であり、転移温度は1ケルビン前後かそれ以下と推定されます。実験的には、この状態に到達するにはツイスト角や周囲の誘電環境を慎重に調整して系を最適な強相関領域に押し込み、非常に低温でモアレバンドの半分占有付近の電子密度をプローブする必要があるでしょう。

引用: Akbar, W., Biborski, A., Rademaker, L. et al. Unconventional superconductivity in the presence of long-range interactions in transition metal dichalcogenide moiré heterobilayers. Sci Rep 16, 10611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45510-4

キーワード: モアレ超伝導, 遷移金属二カルコゲン化物, 強い電子相関, WS2/WSe2 ヘテロバイレイヤ, フラットバンド物理