京都大学(京大)と科学技術振興機構(JST)の両者は5月13日、3種類の希土類化合物を積層構造させた「三色人工超格子」において、提案されてから長らく確認されていなかった「らせん型超伝導」状態が実現している証拠を発見したと共同で発表した。

同成果は、京大大学院 理学研究科の浅場智也特定准教授、同・成塚政裕大学院生(研究当時)、同・淺枝寛人大学院生(研究当時)、同・小菅優揮大学院生(研究当時)、同・池森駿大学院生、同・末次祥大助教、同・笠原裕一准教授(現・九州大学教授)、同・幸坂祐生教授、同・寺嶋孝仁教授、同・大同暁人助教、同・柳瀬陽一教授、同・松田祐司教授らの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。

  • 人工超格子で創出する、運動量を持つ超伝導電子対のイメージ

    人工超格子で創出する、運動量を持つ超伝導電子対のイメージ(出所:京大プレスリリースPDF)

BCS理論では、反発する2つの電子に引力が働き電子対の「クーパーペア」が形成されることで、超伝導が実現されると説明されている。同様に、同ペアの形成は、通常は逆向きのスピンおよび運動量を持つ2つの電子の間で起こるとされている。しかし、すべての超伝導体がBCS理論に完全に従うわけではない。たとえば、銅酸化物高温超伝導体は超伝導電子対が有限の角運動量を持っていることが知られている。また、ある種のウラン化合物では、同じ向きのスピン同士で電子対形成が起こる「スピン三重項超伝導体」が実現されている。

そして、らせん型超伝導もそうしたBCS理論に当てはまらない1つで、電子対の「重心運動量」がゼロではないという特徴を持つ。ただし、実現されたとする確証が得られておらず、検証が長年待ち望まれていた。課題は、同超伝導の実現には強い「スピン軌道相互作用」(電子のスピンと電子の動き(軌道角運動量)との相互作用のこと)と、「空間反転対称性」の破れ、そして高い「超伝導上部臨界磁場」を必要とするなど、非常に厳しい条件が必要とされる点。さらに、実現したとしても、超伝導電子対の重心運動量の直接測定が困難という検証方法の問題もあり、実現の決定的な証拠が得られていなかったという。

上述の3条件のうち、強いスピン軌道相互作用と高い上部臨界磁場を持つことから、らせん型超伝導の実現の可能性がある化合物として注目されてきたのが、セリウム・コバルト・インジウムの希土類化合物超伝導体「CeCoIn5」(以下、(1)と省略)。しかし(1)は結晶の対称性が高く、「ラシュバ軌道相互作用」(空間反転対称性が一軸方向に破れている際に生じる、スピン軌道相互作用を起源とする相互作用)を持たないことが最大の難点だったという。

そこで研究チームは今回、(1)に加え、(1)のセリウムをイッテルビウムに置き換えた「YbCoIn5」(以下、(2)と省略)、(2)のコバルトをロジウムに置き換えた「YbRhIn5」という、3種類の化合物を原子一層レベルで制御し、交互に積層させた三色超格子構造を作製することにしたという。そして、それを測定するための手法も開発することにしたとする。

超格子とは、本来の結晶構造の周期より長い周期を持つ構造が形成された結晶格子のことで、人工的に異なる結晶を積層させることで、周期の長い多層構造を作っていく。このような超格子構造により、ラシュバ軌道相互作用を(1)に導入できるようになったとした。

最近の理論的予測により、らせん型超伝導状態が消失する近傍において、「非相反伝導」と呼ばれる効果が観測されることが提案された。これは、従来測定が困難だった超伝導クーパーペアの運動量に関する理解を深める手法であり、近年の超伝導研究において注目されているという。研究チームは、同手法を三色超格子の試料に用いることで、らせん型超伝導の証拠を得られる可能性を考察したとする。

そして(1)の三色超格子の測定が行われた結果、実際に低温高磁場で非相反伝導効果が増強される結果が得られたという。さらに、非相反伝導は磁場や電流の面内角度に依存すること、および2つの化合物による二色超格子ではこのような非相反伝導効果の増強は見られないことも確かめられた。これらは、三色超格子の非相反伝導効果が外因的な要素によるものではなく、超伝導電子対の運動量に由来していることを示すという。以上の結果から、低温高磁場領域においてクーパーペアが有限運動量を持っていること、つまり、らせん型超伝導が実現している可能性が高いことが示されているとした。

  • 三色超格子(青)および二色超格子(赤、白)の非相反伝導の磁場依存性

    三色超格子(青)および二色超格子(赤、白)の非相反伝導の磁場依存性。三色超格子では非相反伝導が生じているのに対し、二色超格子ではそのような信号が確認されなかった(出所:京大プレスリリースPDF)

今回の結果は、数十年以上前に提案されていたものの長らく実験的確証の得られていなかったらせん型超伝導の創発が示されており、今後、さらなる風変わりな超伝導状態の実現が期待されるとする。理論的には、らせん型超伝導状態から完全ダイオード効果などを実現できる可能性があり、今後のさらなる発展が期待されるとしている。