東京大学(東大)、埼玉大学、東京工業大学(東工大)の3者は、空間反転対称性の破れた「3回回転対称性」を有する、鉛・タンタル・セレンで構成される単結晶の層状超伝導体「PbTaSe2」が、外部磁場や磁気秩序が存在しない条件下でも巨大な整流特性を示すことを発見したと発表した。

同成果は、東大大学院 工学系研究科 物理工学専攻の板橋勇輝大学院生、同・工学系研究科 附属量子相エレクトロニクス研究センターの井手上敏也助教(JST さきがけ研究者兼任)、埼玉大大学院 理工学研究科の星野晋太郎助教、東大 工学部物理工学科の後藤千裕氏(研究当時)、東工大 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の笹川崇男准教授、同・並木宏允博士研究員(科学技術振興機構(JST)-CREST兼任、研究当時)、東大大学院 工学系研究科 附属量子相エレクトロニクス研究センター/同・工学系研究科 物理工学専攻の岩佐義宏教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター 創発デバイス研究チーム チームリーダー兼任)らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

空間座標の符号を反転するような操作(空間反転操作)を行っても状態が不変であるときは、「空間反転対称性がある」と呼ばれており、一般に空間反転対称性の破れた物質では、電流の正負によって電気抵抗が異なる整流特性が期待されるという。このような物質に固有の整流特性は、従来の半導体p-n接合におけるダイオード特性とは違い1つの均質な物質中で生じる現象であるため、固体が示すさまざまな特徴的状態においても実現可能だという。特に最近、超伝導相で物質に固有の整流特性が実現されることが、いくつかの空間反転対称性の破れた超伝導体で発見され、超伝導ダイオードへの応用や微視的機構に注目が集まっているという。

しかし、これまで超伝導の整流現象は、外部磁場や磁気秩序などが共存するような時間反転対称性の破れた物質でのみ報告されており、時間反転対称性を有する超伝導体における整流現象は、原理的には実現可能であると期待されるものの報告例はなかったとする。

そうした中、研究チームは今回、3回回転対称性を持つ層状超伝導体であるPbTaSe2において、外部磁場を必要としない物質固有の整流特性を測定することにしたという。

  • 結晶構造の模式図

    (A)PbTaSe2の結晶構造の模式図(上面図)。3回回転対称性を有する空間反転対称性の破れた構造を持つ。(B)3回回転対称性を有する物質での整流現象の模式図 (出所:プレスリリースPDF)

その結果、超伝導を示さない状態(常伝導状態)および超伝導状態の両方において、結晶対称性を反映した特徴的整流現象が観測されると同時に、超伝導状態においてその大きさが常伝導状態よりも大きく増大することが発見されたとする。

  • 超伝導転移

    (A)PbTaSe2における超伝導転移。(B)超伝導状態と常伝導状態における整流特性 (出所:プレスリリースPDF)

また、観測された超伝導整流現象を解釈するために、3回回転対称性を持った超伝導体中での「ボルテックス-アンチボルテックス」の運動を定式化し、その運動の非対称性が超伝導整流特性を生み出すという超伝導ダイオードの新原理を提案。これにより、整流現象が超伝導ボルテックスの詳細なダイナミクスを反映した輸送現象であり、空間反転対称性の破れた超伝導体の励起状態やボルテックスダイナミクスを理解する重要な手法になり得ることが示唆されたという。

研究チームでは、今回の成果を踏まえ、このような整流特性は、空間反転対称性が破れた超伝導体に普遍的な現象であり、今後さまざまな空間反転対称性の破れた超伝導体における整流現象の観測や機構の解明が期待されるとするほか、エネルギー損失の極めて小さい電子回路の実現に向けた新しい知見と可能性を提示するだけでなく、空間反転対称性の破れた超伝導体における新奇超伝導物性や機能性の開拓を推進することが期待されるとしている。