「トポロジー」と「対称性の破れ」の交差点~鉄系超伝導体における新たな量子状態の発見~

2025-07-23 東京大学,東京都立大学,東北大学,弘前大学

東京大学らの研究チームは、鉄系超伝導体FeSe₁₋ₓTeₓ(x=0.64付近)において、超伝導転移とともにバルクで自発的な磁場が発生し、時間反転対称性の破れを伴う新奇な超伝導状態を確認した。この組成はトポロジカル表面状態とマヨラナ準粒子の存在が示唆されていた領域であり、今回の成果は、トポロジカルな電子構造と時間反転対称性の破れた超伝導が共存することを世界で初めて示した。ミュオンスピン緩和法により、物質内部の微弱な磁場を高感度で検出し、従来の理論を超える新たな量子状態の実現を明らかにした。本研究は、トポロジカル量子ビットなど量子情報科学への応用が期待される。

「トポロジー」と「対称性の破れ」の交差点~鉄系超伝導体における新たな量子状態の発見~
図1:トポロジカル超伝導と表面電子状態

<関連情報>

FeSe1−xTex超伝導体におけるトポロジーと時間反転対称性破れの交わり Topology meets time-reversal symmetry breaking in FeSe1−xTex superconductors

Masaki Roppongi,Yipeng Cai,Koki Ogawa,Supeng Liu,Guoqiang Zhao,Mohamed Oudah,Takenori Fujii,Kumpei Imamura,Shengjie Fang,Kota Ishihara,Kenichiro Hashimoto,Kohei Matsuura,Yuta Mizukami,Mathew Pula,Cyrus Young,Igor Marković,Douglas A. Bonn,Takao Watanabe,Aichi Yamashita,Yoshikazu Mizuguchi,Graeme M. Luke,Kenji M. Kojima,Yasutomo J. Uemura & Tasakada Shibauch
Nature Communications  Published:23 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-61651-y

Abstract

Time-reversal symmetry breaking (TRSB) in magnetic topological insulators induces a Dirac gap in the topological surface state (TSS), leading to exotic phenomena such as the quantum anomalous Hall effect. Yet, the interplay between TRSB and topology in superconductors remains underexplored due to limited suitable materials. Here we employ zero-field muon spin relaxation (μSR) as a sensitive probe of TRSB to map out the electronic phase diagrams of iron-chalcogenide superconductors FeSe1−xTex. For the Te composition x = 0.64 with the highest superconducting transition temperature Tc = 14.5 K, which is known to host a TSS and Majorana zero modes within vortices, we detect spontaneous magnetic fields below Tc distinct from a magnetic order. This signifies a TRSB superconducting state in the bulk, revealing the convergence of unconventional TRSB superconductivity with topologically nontrivial electronic structures in FeSe1−xTex. Given the relatively high Tc and the tunability of the Fermi level through chemical substitution, iron-chalcogenide superconductors offer an intriguing platform for investigating the synergy between topological superconductivity and TRSB.

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