量子革新により超伝導体の隠された特性が明らかになった

熱電効果は超伝導性の変動を全体的に示す。

超伝導性の弱い変動、^[1] 超伝導性の転造現象は、東京工業大学の研究グループによって首尾よく検出された。 この画期的な発展は、熱電効果を測定することによって行われました。^[2] 超伝導体では、広範囲の磁場および超伝導転移温度よりもはるかに高い温度から、近くの非常に低い温度まで、広範囲の温度にわたって発生する。 絶対零度。

これにより、温度と磁場による超伝導体の変動を全体的に明らかにし、2次元超伝導分野で解けなかった問題である磁場内の異常な金属状態の起源を立証した。^[3] 30年間の量子臨界点の存在です。^[4] 量子変動が最も強いところ。

超伝導体の理解

超伝導体は、低い温度で電子対が形成され、電気抵抗がゼロになる物質です。 医療用MRIやその他の用途では、強力な電磁石の材料として使用されます。 極低温で動作する量子コンピュータの小さな論理素子としても重要な要素で超伝導体を超小型化すると、極低温での特性を究明する必要がある。

原子的に薄い二次元超伝導体は変動に大きく影響を受けるため、厚い超伝導体とはかなり異なる特性を示します。 変動には2種類あります。 高温でより顕著な熱（古典的）と非常に低い温度でより重要な量子（量子）は、さまざまな興味深い現象を引き起こします。

たとえば、磁場が絶対零度で二次元超伝導体に垂直に印加され、増加すると、抵抗がゼロの超伝導体から局所電子を有する絶縁体に遷移が発生します。 このような現象を磁場誘導超伝導体－絶縁体前といい、量子相転移の代表的な例である。^[4] 量子変動によるものです。

図1.（左）適切なサイズの磁場では、超伝導電流の渦を伴う欠陥の形で磁束線が貫通します。 （中央）超伝導の前兆である「超伝導揺動」状態の概念図。 時間とともに変化し、空間的に不均一であり、泡のような超伝導領域が形成される。 （右）熱電効果測定の模式図。 磁束線運動と超伝導変動は、熱流（温度勾配）に垂直な電圧を生成します。 クレジット: 永永光一郎

しかし、比較的局所化効果が弱いサンプルでは、​​電気抵抗が定常状態より数桁低い中間磁場領域に異常な金属状態が現れることが1990年代から知られています。 この異常な金属状態の起源は、超伝導体内部を貫通する磁束線（図１左）が量子揺動により移動する液体と同じ状態にあると考えられます。

しかし、二次元超伝導体のほとんどの以前の実験では、電流に対する電圧応答を調べる電気抵抗率測定を使用していたため、この予測は実証されていません。 これにより、磁束線の動きで発生する電圧信号と正常導電電子の散乱

東京工科大学理科大学物理学科家永小一郎助教授と大久間里教授が率いる研究チームは、 実際のレビュー手紙 2020年には、電流ではなく熱の流れ（温度勾配）によって電圧が発生する熱電効果を利用して、異常な金属状態で磁束線の量子運動が起こるという事実を明らかにしました。

しかし、異常な金属状態の起源をさらに明確にするためには、超伝導状態が量子揺動によって破壊され、正常（絶縁）状態に遷移するメカニズムを解明する必要がある。 本研究では、超伝導の前駆体状態であり、定常状態で存在すると考えられる超伝導変動状態（図1の中央）を検出するための測定を行いました。

図2. 超電導の変動の全体像は、超電導転移温度よりはるかに高い温度から0.1Kの非常に低い温度まで、広い磁場範囲と広い温度範囲で明らかになった。 （古典）と量子揺動が初めて実証されており、この線が絶対零度に達する量子臨界点が異常金属領域内に存在することがわかりました。 クレジット: 永永光一郎

研究成果と技術

本研究では、モリブデン – ゲルマニウム（Mo_Xカニ_1-X) 薄いフィルムS アモルファス構造を有し、^[5] 均一な構造と無秩序を有する二次元超伝導体として知られる超伝導体を作製して使用した。 厚さは10ナノメートル（1ナノメートルは10億分の1メートル）で、2次元システムの特徴的な変動効果を持つことができます。

変動信号は、相伝導電子散乱信号に埋もれているため、電気抵抗率測定では検出できないため、2種類の変動を検出できる熱電効果測定を行いました。 （１）超伝導変動（超伝導振幅の変動））および（２）磁束線運動（超伝導位相の変動）。

試料の縦方向に温度差を加えると、超伝導揺動と磁束線の動きによって横方向に電圧が発生する。 対照的に、通常の電子運動は主に縦方向に電圧を発生する。 特に、電子が移動しにくいアモルファス材料などのサンプルでは、​​電子が水平方向に発生する電圧は無視できます。

熱電効果は、超伝導転移温度である2.4K（Kelvin）よりはるかに高い温度から0.1K（300Kの1/3000、常温）の非常に低い温度まで、さまざまな磁場とさまざまな温度で測定された。 ）、これは絶対零度に近い。 これは、超伝導位相変動がより顕著な磁束の液体領域（図2の濃い赤色領域）だけでなく、外側の広い温度 – 磁場領域でも超伝導変動が生存することを示しています。 超伝導性が破壊される定常状態領域（図2の上凸実線上の高温および高磁場領域）となります。 特に、熱的（古典的）変動と量子変動の間の交差線が初めて正常に検出されました（図2の太い実線）。

交差線が絶対零度に達したときの磁場の値は、量子揺動が最も強い量子臨界点に相当する可能性が高く、その点（図２の白丸）は異常な金属状態のある磁界範囲内に明らかに位置します。 電気抵抗で観察された。 これまでの電気抵抗率測定では、これらの量子臨界点の存在を検出することは不可能であった。

今回の結果から、30年間解かれていない二次元超伝導体の絶対影も磁場内の金属状態の異常現象が量子臨界点の存在に起因することが分かる。 言い換えれば、異常な金属状態は、超伝導体 – 絶縁体遷移に対する拡張量子臨界床状態である。

示唆

非晶質従来の超伝導体について得られた熱電効果測定は、定常状態電子の寄与なしに超伝導の変動効果のみ純粋に捕捉するため、超伝導体に対する熱電効果の標準データとみなすことができます。 熱電効果は電気冷却システムなどに適用する面で重要であり、冷却温度の限界を拡大するためには低温で大きな熱電効果を示す材料開発が必要である。 特定の超伝導体の低温で異常に大きな熱電効果が報告されており、現在のデータと比較するとその原因に関する手がかりを提供することができます。

将来の開発

この研究で開発される学問的関心は、現在のサンプルよりも強い局在効果を有する二次元超伝導体において、磁束線が量子凝縮状態にあるという理論的予測を実証することです6。 今後、我々はこの研究の方法を用いてこれを検出する実験を展開する予定です。

今回の研究結果はオンラインに掲載された。 ネイチャーコミュニケーションズ 2024年3月16日。

お尻

1. 超伝導性の変動： 超伝導の強度は一定ではなく、時間と空間によって変動します。 熱的揺動が起こるのは当然ですが、絶対零度付近では量子力学的不確定性原理によって量子揺動が発生します。
2. 熱電効果： 熱エネルギーと電気エネルギーを交換する効果。 温度差を加えると電圧が発生し、電圧を加えると温度差が発生します。 前者は発電装置で、後者は冷却装置で適用が検討されている。 本研究では、超伝導性のばらつきを検出する方法として用いられる。
3. 二次元超伝導性： 非常に薄い超伝導体。 超伝導を担う電子対間の距離よりも厚さが薄くなると、超伝導の変動効果が強くなり、超伝導体の特性は厚い超伝導体と非常に異なる。
4. 量子臨界点、量子位相遷移： 磁場などの変数が変化すると絶対零度で起こる相転移を量子相転といい、温度変化による相転移と区別される。 量子閾値点は、量子位相遷移が起こる位相遷移点である。S 発生し、量子変動が最も強い場所です。
5. アモルファス構造： 原子が不規則に配列されて結晶構造がない物質の構造。
6. 量子凝縮状態： 多数の粒子が最低エネルギー状態に落ちて単一の巨視波のように振る舞う状態。 超伝導状態では、多くの電子対が凝縮する。 液体ヘリウムは2.17Kに冷却すると凝縮し、粘度0の超流動性を生み出します。

参考資料：家永小一郎、田本結隆、代田正宏、吉村由紀、石神孝宏、大熊里が著した「無秩序な超伝導薄膜の拡張量子臨界基底状態」、2024年3月16日、 ネイチャーコミュニケーションズ。
DOI: 10.1038/s41467-024-46628-7