液晶のような特定の向きに整列する超伝導状態の発見

液晶のような特定の向きに整列する超伝導状態の発見

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2016/10/17更新

-回転対称性の破れを伴った「ネマティック」超伝導-

米澤進吾 本研究科物理学・宇宙物理学専攻助教、前野悦輝 同教授、田尻兼悟 同修士課程学生らの研究チームは、銅を挿入したビスマス-セレン化合物超伝導物質において、超伝導ペアたち自らが特別な方向を創出し、特定の方向でペアを組む強さが弱くなっていることを明らかにしました。この「ネマティック超伝導」と呼ばれる現象の実現が確かめられたのは超伝導研究の100年超の歴史において初めてであり、超伝導の基礎・応用両面で非常に重要な一歩だと考えられます。

 

本研究成果は、2016年10月11日に英国の学術誌「Nature Physics」にオンライン掲載されました。また、同誌の注目論文を紹介するNews and Viewsに解説記事が掲載されました。

研究者からのコメント

左から米澤助教、田尻修士課程学生

「超伝導になることで結晶の持つべき対称性が破れてしまう」という常識外れな効果が、非常にはっきりと観測できたことに驚くと同時にとてもワクワクしました。一方でまだわかっていない部分も多いですので、今後さらにネマティック超伝導の持つ性質や機能性を解明できればと思っています。

概要

「自発的対称性の破れ」とは、ある系が、背後に持つ法則としては対称性を持つにもかかわらず、実現する状態が対称性を破ることであり、物理学全般において極めて重要な概念です。超伝導は、ある温度以下で電気抵抗が完全にゼロになる現象のことで、超伝導物質内で電子2個ずつがペアを作ることで引き起こされますが、この現象も対称性の破れと密接にかかわっています。特に、超伝導物質が超伝導状態になるときにどのような対称性の破れを伴うのかが活発に研究されてきました。しかし、超伝導ペアを組む強さが方向によって変化するような「回転対称性の破れた超伝導」はこれまでに見つかっていませんでした。

 

液晶においては、分子同士が流動性を持ちながらある方向に整列することで回転対称性が破れるネマティック状態が起こります。回転対称性を破った超伝導では超伝導ペアが流動性を持ちながら回転対称性を破るため、液晶ネマティック状態と類似しています。このことから、回転対称性の破れた超伝導は「ネマティック超伝導」と近年呼ばれるようになりました。ネマティック超伝導はこれまでにない対称性破れを伴った新しい種類の超伝導であり、その発見は、生物学での新種の発見や、素粒子物理学での新しい粒子の発見にも相当します。この数年、このようなネマティック超伝導は実在するのか、また実現した場合にどのような性質を持つのかが、研究者の間で注目されていました。

 

そこで本研究グループは、ビスマス-セレン化合物Bi2Se3の結晶中に銅イオンを挿入したCuxBi2Se3という物質の単結晶試料を用い、超伝導ペアの結合の強さと関係する比熱(物体に熱を一定量加えた時にどの程度温度が上昇するかを表す物理量)を、磁場方向を精密に制御しながら測定しました。

 

その結果、銅を挿入したビスマス-セレン化合物超伝導物質において、超伝導ペアたちが特定の方向でペアを組む強さが弱くなるように自発的に整列していることを明らかにしました。

図:CuxBi2Se3で発見されたネマティック超伝導の模式図
通常状態では等価だった三つの方向が、超伝導になると超伝導対の強さの強弱によって特別な方向が生じ、ネマティック超伝導となっています。