二枚の金属膜をねじると電気的な渦が現れた

結晶の薄い膜を二枚、わずかに回転させて重ねると、原子の位置の重なり方は場所によって変わる。Yingzhuo Lun、Xinxin Hu、Qi Renらはこの幾何学を利用し、金属であるルテニウム酸ストロンチウムの膜に分極の渦を観測した。化学式はSrRuO₃である。ここで「分極」は構造内の正負の電荷の位置が相対的にずれること、「渦」はその局所的な向きが空間で回り込む模様を指す。成果は「Nature Materials」に掲載された。

研究チームは二枚の金属膜を異なる角度で重ねた。わずかに回転した周期的な原子の格子が重なると、より大きな「モアレ模様」が生じる。電子顕微鏡を使って原子の変位を再構成し、ひずみの分布を調べた。磁気特性と電気の流れ方も測定した。密度汎関数理論という、物質中の電子の振る舞いを推定する計算手法が、観測結果の解釈を助けた。

地図には双極子の渦、つまり局所的な電荷の分かれ方が回転する模様が現れた。これはモアレ模様に沿って繰り返すせん断ひずみの勾配と関連していた。せん断は隣接部分の相対的なずれで、勾配は場所によるひずみの変化である。ひずみの変化が分極を誘起する現象はフレクソエレクトリシティーと呼ばれる。模様の強さは回転角と二枚の境界面からの距離で変わった。持続的な磁気の秩序が現れる温度より低い条件では、強磁性も双極子の秩序と共存し、両者の強さは角度に対して逆向きに変化した。著者らは競合の可能性を示唆している。

金属中の動きやすい電荷は通常、整った電気的模様を保ちにくくする。研究に参加したCatalan Institute of Nanoscience and Nanotechnologyは、Chema Arcosが署名した記事で成果を紹介した。その記事も論文も実験室の膜での観測と測定を述べており、動作する電子記憶装置や装置内での可逆的制御は実証していない。

証拠は、ねじれによって強磁性を持つ金属にも分極の渦を作れることを支持する。ただし微視的な原因を一つに確定したり、技術的な応用を示したりはしていない。角度とひずみを別々に制御し、模様の安定性と可逆性を測る実験が、機能的な利用への決め手となる。