量子のブレークスルーにより超伝導体の隠された性質が明らかに

熱効果は超伝導のゆらぎの全体像を明らかにします。

超伝導の弱いゆらぎ、^[1] 超電導現象は東京工業大学（東工大）の研究グループによって発見に成功した。 この偉業は熱効果を測定することによって達成されました。^[2] 超電導体では、広範囲の磁場および超電導転移温度をはるかに超える温度から超電導転移温度に近い非常に低い温度までの広範囲の温度にわたって使用されます。 絶対零度。

これにより、超伝導の温度と磁場に対するゆらぎの全貌が明らかになり、2次元超伝導分野の未解決問題であった磁場中の異常な金属状態の起源が明らかになりました。^[3] 30年間にわたって臨界量子点が存在する^[4] 量子ゆらぎが最も強くなる場所。

超伝導体を理解する

超伝導体は、低温で電子が対になり、電気抵抗がゼロになる材料です。 医療用MRIなどの強力な電磁石の材料として使用されています。 また、低温で動作する量子コンピューターの小型論理素子としても重要であり、低温超伝導体を微細化した際の性質の解明が求められています。

原子的に薄い 2D 超伝導体はゆらぎの影響を強く受けるため、より厚い超伝導体とは大きく異なる特性を示します。 ゆらぎには 2 種類あり、1 つは高温で顕著になる熱 (古典) ゆらぎ、もう 1 つは極低温でより顕著になる量子ゆらぎで、後者はさまざまな興味深い現象を引き起こします。

たとえば、絶対零度の二次元超電導体に垂直に磁場を加えて磁場を増加させると、抵抗がゼロの超電導体から電子が局在する絶縁体への転移が起こります。 この現象は磁場誘起超伝導絶縁体転移と呼ばれ、量子相転移の代表的な例です。^[4] 量子ゆらぎによって引き起こされます。

図 1. (左) メソスケールの磁場では、磁束線が超伝導電流の渦を伴う欠陥の形で侵入します。 （中）超電導の前兆である「超電導ゆらぎ」状態の概念図。 時間とともに変化し、空間的に不均一な泡状の超伝導領域が形成されます。 （右）熱影響測定の模式図。 磁束線の動きと超伝導のゆらぎにより、熱の流れ（温度勾配）に対して垂直な電圧が発生します。 クレジット: 稲永耕一郎

しかし、局在効果が比較的弱い試料では、中間磁場領域で電気抵抗が通常の状態より数桁低い異常な金属状態が現れることが1990年代から知られていました。 この異常な金属状態の起源は、超伝導体を貫く磁束線（図1左）が量子揺らぎによって動かされる液体状の状態であると考えられています。

しかし、この予測は証明されていません。2D 超伝導体に関するこれまでの実験のほとんどは、電圧と電流の応答を調べる電気抵抗測定を使用しており、磁束線の動きから生じる電圧信号と散乱から生じる電圧信号を区別することが困難だったためです。常伝導の電子。

東京工業大学理学部物理学科の稲永浩一郎助教と大熊聡教授らの研究チームが、 物理的なレビューレター 2020 磁束線の量子運動は、熱電効果を利用した異常な金属状態で起こり、電流ではなく熱流（温度勾配）に対して電圧が発生します。

しかし、異常な金属状態の起源をさらに解明するには、量子揺らぎによって超伝導状態が破壊され、通常の（絶縁性の）状態に遷移するメカニズムを解明する必要がある。 今回の研究では、自然界に存在すると考えられる超電導の前駆状態である超電導のゆらぎ状態（図1中央）を検出することを目的とした測定を行った。

図 2. 超伝導の変動の全体像は、超伝導転移温度をはるかに超える温度から 0.1 K 程度の温度まで、広い磁場範囲と幅広い温度にわたって明らかになります。 熱（古典）ゆらぎと量子ゆらぎとの交線の存在が初めて実証され、この線が絶対零度に達する量子臨界点が異常金属領域内にあることが判明した。 クレジット: 稲永耕一郎

研究実績と技術

この研究では、モリブデンゲルマニウム（Mo）_sやあ_1-s） 薄いs アモルファス構造なので、^[5] 均一かつカオスな構造を持つ二次元超伝導体として知られ、これまでに製造・利用されてきました。 厚さは 10 ナノメートル (1 ナノメートルは 10 億分の 1 メートル) で、2D システムに特徴的な変動効果が期待できます。

ゆらぎ信号は常伝導電子散乱信号に埋もれて電気抵抗測定では検出できないため、(1)超伝導ゆらぎ(超伝導容量のゆらぎ)と、(1)超伝導ゆらぎ(超伝導容量のゆらぎ)の2種類のゆらぎを検出できる熱電効果の測定を行った。 ( 2) 磁束線の動き（超電導相の揺らぎ）。

試料の長手方向に温度差を与えると、超伝導のゆらぎや磁束線の動きにより横方向に電圧が発生します。 対照的に、通常の電子運動では、主に縦方向に電圧が発生します。 特にアモルファスなど電子が動きにくい試料では、電子が発生する横方向の電圧が小さいため、横方向の電圧を測定することで変動寄与のみを選択的に検出できます（図1右）。

熱電効果は、さまざまな磁場および超伝導転移温度の 2.4 ケルビン (K) をはるかに上回る温度から 0.1 K (300 K の 1/3000、室温) までのさまざまな温度で測定されています。 、絶対零度に近い値です。 これは、超電導の位相変動が最も顕著に現れる磁束の液体領域（図2の濃い赤色の領域）だけでなく、さらに外側の温度磁場の広い領域にわたって超電導の変動が存在していることを示しています。超電導が破壊される定常状態領域（図2の上凸実線より上の高磁場・高温領域）と考えられます。 特に、熱（古典）ゆらぎと量子ゆらぎとの交線の発見に初めて成功した（図２の太い実線）。

交線が絶対零度に達するときの磁場の値は、量子ゆらぎが最も強い量子臨界点に対応すると考えられ、その点（図2の白丸）は、明らかに異常な金属状態が存在する磁場の範囲内にあります。 それは電気抵抗で観察されました。 この量子臨界点の存在は、これまで電気抵抗測定からは検出されていませんでした。

この結果は、30年間未解明であった2次元超伝導体の絶対零度における磁場中の異常な金属状態が、量子臨界点の存在によって生じていることを明らかにしました。 言い換えれば、異常な金属状態は、超伝導体から絶縁体への遷移のための拡張された量子臨界基底状態である。

影響

従来のアモルファス超電導体に対して得られた熱電効果の測定は、正常状態の電子の寄与なしに超電導の変動の影響を捉えているため、超電導体に対する熱電効果の標準データとみなすことができます。 熱効果は電気冷凍システム等への応用において重要であり、最高冷却温度を延長するために低温で大きな熱効果を示す材料の開発が必要である。 一部の超伝導体では低温での異常に大きな熱電効果が報告されており、既存のデータと比較することでその原因を解明する手がかりが得られる可能性があります。

今後の展開

本研究で展開する学術的関心の一つは、本試料よりも局在化効果が強い二次元超伝導体では磁束線が量子凝縮状態になるという理論的予測を明らかにすることである6。 今後、本研究の手法を用いた実験を公開して解明する予定です。

この研究結果はオンラインで公開されました。 ネイチャーコミュニケーションズ 2024 年 3 月 16 日。

条件

1. 超伝導の変動: 超電導の強さは均一ではなく、時間的・空間的に変動します。 熱揺らぎが発生するのは正常ですが、絶対零度付近では量子力学の不確定性原理に基づいて量子揺らぎが発生します。
2. 熱効果: 熱エネルギーと電気エネルギー交換の効果。 温度差を与えると電圧が発生し、電圧を加えると温度差が生じます。 前者は発電装置として、後者は冷却装置として研究されている。 この研究では、超伝導の変動を検出する方法として使用されました。
3. 2D超電導: 極薄の超電導体。 超伝導を担う電子対間の距離よりも厚さが小さくなると、超伝導の揺らぎの影響が強くなり、厚い超伝導体とは性質が全く異なってきます。
4. 量子臨界点、量子相転移： 絶対零度において磁場などのパラメータを変化させたときに起こる相転移を量子相転移と呼び、温度変化による相転移と区別する。 量子臨界点とは、量子相転移が起こる相転移点のことです。s 量子ゆらぎが最も強い場所で発生します。
5. アモルファス構造: 原子が不規則に配置され、結晶構造を持たない物質の構造。
6. 凝縮された量子状態: 多数の粒子が最も低いエネルギー状態にあり、単一の巨視的な波として動作する状態。 超伝導では、多くの電子対が凝縮されます。 液体ヘリウムも2.17Kまで冷却すると凝縮するため、ベタつきがなく流動性に優れます。

参考文献：「無秩序超伝導薄膜における拡張量子臨界基底状態」稲永幸一郎、田本豊、与田正博、吉村勇樹、石上貴宏、大熊聡、2024年3月16日、 ネイチャーコミュニケーションズ。
土井: 10.1038/s41467-024-46628-7