鉄系超伝導体を用いて強磁場下で超伝導ダイオード効果を観測~ボルテックスに由来する整流効果の仕組みを解明~

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2025-05-14 東北大学

東北大学金属材料研究所の野島勉准教授らの研究チームは、鉄系超伝導体Fe(Se,Te)を用いて、強磁場下での超伝導ダイオード効果の観測に成功しました。この効果は、電流の向きによって超伝導状態と常伝導状態が切り替わる現象であり、スピン軌道相互作用によって非対称化されたボルテックス(超伝導量子化渦)のピン止め効果が起源であることが明らかになりました。この成果は、磁場や温度変動に強い超伝導素子の開発に貢献すると期待されます。

鉄系超伝導体を用いて強磁場下で超伝導ダイオード効果を観測~ボルテックスに由来する整流効果の仕組みを解明~図1:スピン軌道相互作用とボルテックスの結合による整流効果の概念図

<関連情報>

超伝導薄膜ヘテロ構造における渦誘起整流効果のスケーリング関係 A scaling relation of vortex-induced rectification effects in a superconducting thin-film heterostructure

Yusuke Kobayashi,Junichi Shiogai,Tsutomu Nojima & Jobu Matsuno
Communications Physics  Published:12 May 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-025-02118-w

Abstract

Supercurrent rectification, nonreciprocal response of superconducting properties sensitive to the polarity of bias and magnetic field, has attracted growing interest as an ideal diode. While the superconducting rectification effect is a consequence of the asymmetric vortex pinning, the mechanisms to develop its asymmetric potentials have been a subject of ongoing debate, mainly focusing on microscopic breaking of spatial inversion symmetry and macroscopic imbalance of the sample structure. Here, we report on comparative study of the superconducting diode effect and nonreciprocal resistance in a superconducting Fe(Se,Te)/FeTe heterostructure. In normal state, we observe finite nonreciprocal resistance as a hallmark of the spin-orbit interaction with structural inversion asymmetry. In the superconducting state, we find that the strongly enhanced nonreciprocal coefficient in transition regime is directly coupled to the superconducting diode efficiency through a universal scaling law, indicating the role of spin-momentum-locked state on the asymmetric pinning potential. Our findings, providing a unified picture of the superconducting rectification, pave the way for functionalizing superconducting diode devices.

0403電子応用
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