磁場に強い超伝導を実現する新たなメカニズムを発見

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原子レベルの厚さで起こるスピンのひねりが鍵 量子コンピュータ素子などへの応用に期待

2021-03-05 物質・材料研究機構 (NIMS),大阪大学,北海道大学

NIMSは大阪大学および北海道大学と共同で、磁場によって容易に破壊される超伝導が、原子レベルの厚さでは強磁場中でも破壊されない現象を見出し、そのメカニズムを明らかにしました。

概要

  1. NIMSは大阪大学および北海道大学と共同で、磁場によって容易に破壊される超伝導が、原子レベルの厚さでは強磁場中でも破壊されない現象を見出し、そのメカニズムを明らかにしました。磁場に強い超伝導材料開発の道筋を示すとともに、磁性体との組み合わせで実現が期待されるトポロジカル超伝導体の開発に大きく貢献することが期待されます。
  2. 超伝導は病院でのMRI (核磁気共鳴画像法) や超高感度磁気センサーなどさまざまな分野で応用されています。その中でも特に近年注目を集めているのが、トポロジカル超伝導体と呼ばれる特殊な超伝導体です。トポロジカル超伝導体は、量子情報を長時間保持できるため、量子コンピュータの素子として利用すれば、より複雑な演算が可能になるといわれており、その実現には、超伝導体と磁性体を組み合わせたハイブリッド構造をとることが有望視されています。一方で、超伝導体と磁性体を接近させると強い「磁場」が発生しますが、超伝導は磁場 (磁気) によって容易に壊れてしまうという性質があるため、トポロジカル超伝導体実現のために、磁場に対して頑強な性質をもつ超伝導体の開発が望まれています。
  3. 今回、研究チームは、代表的な超伝導体であるインジウムを原子レベルの厚さまで削った超薄膜結晶を用いることで、強い磁場でも超伝導が破壊されない新たなメカニズムを発見しました。通常は磁場をかけるとスピンとの相互作用によって電子のエネルギーが変化するため超伝導が壊れます。しかし原子層の2次元結晶では、スピンの向きが電子の運動方向と直結し、スピンに回転の「ひねり」が与えられます。そのため、スピンの向きが頻繁に変化し、磁場によるエネルギー変化がキャンセルされて超伝導が壊れません。これにより、超伝導が壊れる臨界磁場は従来の理論値の3倍程度 (16~20 T) にまで増強されることがわかりました。インジウム自体はごくありふれた超伝導体であり、このメカニズムは特殊な結晶構造や電子間の強い相互作用などを必要としないため、汎用性の高い一般的な原理といえます。
  4. 今後は、この成果を応用して、より磁場に強い超伝導超薄膜の開発をおこないます。さらに、超伝導 – 磁性体ハイブリッド型のデバイスを作製し、次世代量子コンピュータの実現に欠かせないとされるトポロジカル超伝導体の開発へとつなげていきます。
  5. 本研究は、NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点表面量子相物質グループの内橋隆グループリーダー (北海道大学大学院理学院物性物理学専攻客員教授 (連携分野教員) 兼務) 、同先端材料解析研究拠点ナノプローブグループの吉澤俊介主任研究員、東京大学物性研究所の矢治光一郎助教 (研究当時/現在NIMS先端材料解析研究拠点シンクロトロンX線グループ主任研究員) 、大阪大学大学院工学研究科物理学系専攻の坂本一之教授らにより行われました。また、本研究は、科研費基盤研究 (B)「時空間反転対称性の破れた超伝導状態の実空間分光測定」(18H01876)などの一環として行われました。
  6. 本研究成果は、Nature Communications 誌にて英国時間2021年3月5日午前10時 (日本時間5日午後7時) に掲載されます。

「プレスリリース中の図 : (a) 超伝導転移を示す面抵抗 (単位面積当たりの抵抗値) の温度依存性と、磁場依存性。 (b) 複数の試料を用いて測定した臨界磁場の温度依存性。臨界磁場は従来の理論値(5.5~5.8 T)を超え、十分に低温では16~20 Tに達するとことがわかる。比較のため、試料面に垂直方向に磁場を印加した場合の臨界磁場 (10倍に拡大) も示してある。」の画像

プレスリリース中の図 : (a) 超伝導転移を示す面抵抗 (単位面積当たりの抵抗値) の温度依存性と、磁場依存性。 (b) 複数の試料を用いて測定した臨界磁場の温度依存性。臨界磁場は従来の理論値(5.5~5.8 T)を超え、十分に低温では16~20 Tに達するとことがわかる。比較のため、試料面に垂直方向に磁場を印加した場合の臨界磁場 (10倍に拡大) も示してある。



掲載論文

題目 : Atomic-layer Rashba-type superconductor protected by dynamic spin-momentum locking
著者 : Shunsuke Yoshizawa, Takahiro Kobayashi, Yoshitaka Nakata, Koichiro Yaji, Kenta Yokota, Fumio Komori, Shik Shin, Kazuyuki Sakamoto, and Takashi Uchihashi
雑誌 : Nature Communications
掲載日時 : 英国時間2021年3月5日10時 (日本時間5日19時)
DOI :10.1038/s41467-021-21642-1

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