結晶の対称性を反映した新しい原理の超伝導整流現象を発見～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たな可能性～

2022-03-30

2022-03-29 東京大学,科学技術振興機構,理化学研究所,東京工業大学,埼玉大学

ポイント

空間反転対称性の破れた超伝導体において、磁場や磁性を必要としない新しい原理の整流特性を発見。
整流特性が結晶構造を反映していることを実証するとともに、微視的機構を提案。
本研究成果が、空間反転対称性の破れた超伝導体における新機能を開拓すると同時に、エネルギー損失の極めて小さい電子回路の実現へ向けた新たな知見となることに期待。

東京大学大学院工学系研究科の板橋勇輝大学院生、同研究科物理工学専攻の井手上敏也助教、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）らの研究グループは、埼玉大学や東京工業大学のグループと共同で、空間反転対称性の破れた３回回転対称性を持つ層状超伝導体ＰｂＴａＳｅ_２（鉛（Ｐｂ）、タンタル（Ｔａ）、セレン（Ｓｅ）から構成される単結晶）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。

空間反転対称性の破れた結晶において実現する物質固有の整流特性は、１つの均質な物質中で生じるという点で、従来の半導体ｐ－ｎ接合における整流現象とは本質的に異なる。また、超伝導を始めとする特徴的な状態を示す物質へも応用が可能であるため、超伝導ダイオード効果などのユニークな機能を実現するための有力な原理となり得る。しかし、そのような物質固有の整流特性は、これまで外部磁場や磁気秩序が存在する時間反転対称性の破れた条件下で報告がなされており、時間反転対称性を持つ超伝導体における整流現象は未開拓であった。

本研究では、ＰｂＴａＳｅ_２の常伝導状態（超伝導を示さない状態）および超伝導状態の両方において外部磁場を必要としない整流特性を初めて観測し、整流特性が結晶対称性を反映していることや超伝導状態において整流効果が常伝導状態と比べて大きく増大することを発見した。さらに、３回回転対称性を持った超伝導体中での超伝導ボルテックス－アンチボルテックスの運動を定式化することで、時間反転対称条件下での超伝導整流特性の新原理を提案した。

本研究成果は、空間反転対称性の破れた超伝導体における新規輸送現象の開拓を推進すると同時に、外部磁場を必要としない整流特性という新たな機能性実現への有用な知見になると期待される。

本研究成果は、２０２２年３月２９日（英国夏時間）に英国科学雑誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」にオンライン掲載される。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業さきがけ研究領域「トポロジカル材料科学と革新的機能創出（課題番号：ＪＰＭＪＰＲ１９Ｌ１）」、ＣＲＥＳＴ研究領域「二次元機能性原子・分子薄膜の創製と利用に資する基盤技術の創出（課題番号：ＪＰＭＪＣＲ１６Ｆ２）」、科研費「基盤研究Ｓ（課題番号：ＪＰ１９Ｈ０５６０２）」、「基盤研究Ｂ（課題番号：ＪＰ１９Ｈ０１８１９）」、公益財団法人矢崎科学技術振興記念財団奨励研究助成の支援により実施された。

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