トポロジカル超伝導体の起源となるスピン伝導現象を理論的に解明、阪大など

大阪大学(阪大)と東北大学は3月14日、「トポロジカル超伝導体」の起源である「ヘリカルクーパー対」に由来したスピン伝導現象を理論的に解明したと発表した。

同成果は、阪大大学院　基礎工学研究科　物質創成専攻の松下太樹大学院生、同・安藤慈英大学院生、同・水島健准教授、同・藤本聡教授、東北大大学院工学研究科応用物理学専攻の正木祐輔助教、米・ルイジアナ州立大学物理学研究科のイリヤ・ベクター教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米物理学会が刊行する主力学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

トポロジカル超伝導体は、その電子状態が明らかでない位相幾何学(トポロジカル)的な構造を有する超伝導体であり、その非自明な電子状態に起因して、超伝導体の渦や表面に「マヨラナ粒子」(マヨラナ準粒子とも)と呼ばれる特異な準粒子励起が現れることが知られている。マヨラナ粒子は、電子の波と正孔の波の重ね合わせで実現する仮想的な粒子であり、トポロジカル超伝導体に存在するマヨラナ粒子は、それ自体が環境ノイズに強い耐性を持つ量子ビットとなり、それを活用したトポロジカル量子コンピュータの実現が期待されている。

しかし、トポロジカル超伝導の実現が確立された物質はまだ見つかっておらず、現実の物質でトポロジカル超伝導が実現していることを示すためには、トポロジカル超伝導体固有の物性現象を明らかにし、実験によって観測する必要があるという。

ただし、トポロジカル超伝導体固有の応答や輸送特性の理解は不十分であり、そのことがトポロジカル超伝導の立証を困難にしてきたという。特に、トポロジカル超伝導の源であるヘリカルクーパー対に由来した物理現象は明らかにされていなかったという。

超伝導体は、電子がクーパー対と呼ばれる対を成すことで実現され、それはスピン自由度の有無によってスピン一重項対とスピン三重項対に大別されるが、ヘリカルクーパー対はスピン三重項対の一種で、上スピン電子対と下スピン電子対が互いに逆向きに円軌道運動をしているクーパー対のこととされている。

そこで研究チームは今回、ヘリカルクーパー対に由来した輸送特性を明らかにするために、温度勾配を印加したときに起こるスピン伝導に着目した研究を実施。その結果、非平衡超伝導の理論に基づく解析によって、ヘリカルクーパー対に由来した電子の散乱機構が判明したとする。

具体的には、トポロジカル超伝導体中の電子は、物質中に含まれる不純物で散乱される際にヘリカルクーパー対による影響を受け、その影響により、不純物は電子を、そのスピンの向きに依存して異なる方向に散乱することとなるという。そして、この電子のスピンに依存した不純物散乱によって、温度勾配が、その印加方向と垂直方向にスピン伝導を誘起される、「スピンネルンスト効果」を引き起こすことが判明したという。

ヘリカルクーパー対の模式図。クーパー対の軌道角運動量(赤矢印)の向きが、電子スピン(青矢印)に依存しており、上スピン電子対と下スピン電子対の軌道角運動量は互いに逆向きとなっている (出所:阪大Webサイト)

スピンネルンスト効果は、トポロジカル超伝導体に存在するヘリカルクーパー対に由来した輸送特性であり、このスピン伝導現象をトポロジカル候補物質で観測することによって、ヘリカルクーパー対の存在を立証することが可能だと研究チームは説明する。また、今回の研究から、トポロジカル超伝導の源であるヘリカルクーパー対の存在を立証する具体的な方向性が示されたことから、研究チームは今後、現実物質におけるトポロジカル超伝導性やマヨラナ粒子の理解の進展が期待されるとするほか、それらに基づく量子コンピュータの実現につながることが期待されるともしている。