超伝導への原子レベルの窓が、新しい量子材料への道を開く(An atomic-scale window into superconductivity paves the way for new quantum materials)

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2022-06-03 フィンランド・アールト大学

研究者らは、超伝導物質中の量子励起を原子レベルの精度で測定する新しい技術を初めて実証しました。これらの励起を検出することは、エキゾチック超伝導体の理解への重要なステップであり、量子コンピューターの改良に役立つだけでなく、室温超伝導体への道も開けるかもしれません
超伝導は、クーパーペアと呼ばれる特殊な結合をした電子のペアによって引き起こされる。これまで、クーパー対の発生はバルクのマクロな視点で間接的に測定されていたが、アールト大学と米オークリッジ国立研究所の研究者が開発した新しい手法により、クーパー対の発生を原子レベルの精度で検出することができるようになった。
研究チームは、原子レベルで鋭利な金属探針と超伝導体の間に流れる電流を測定し、その電流が探針と超伝導体の間の距離によってどのように変化するかを調べました。これにより、超伝導体に戻るアンドレーエフ反射の量を、原子1個分に匹敵する画像分解能を保ちながら検出することができた。実験の結果は、ラドの理論モデルと正確に一致した。

<関連情報>

原子レベルの超伝導を直接観測する非接触型アンドレフ反射法 Noncontact Andreev Reflection as a Direct Probe of Superconductivity on the Atomic Scale

Wonhee Ko,Jose L. Lado, and Petro Maksymovych
Nano Letters  Published:May 13, 2022
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00697

Abstract

Direct detection of superconductivity has long been a key strength of point-contact Andreev reflection. However, its applicability to atomic-scale imaging is limited by the mechanical contact of the Andreev probe. To this end, we present a new method to probe Andreev reflection in a tunnel junction, leveraging tunneling spectroscopy and junction tunability to achieve quantitative detection of Andreev scattering. This method enables unambiguous assignment of superconducting origins of current-carrying excitations, as well as detection of higher order Andreev processes in atomic-scale junctions. We furthermore revealed distinct sensitivity of Andreev reflection to natural defects, such as step edges, even in classical superconductors. The methodology opens a new path to nano- and atomic-scale imaging of superconducting properties, including disordered superconductors and proximity to phase transitions.

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