この研究についてひとこと
新規超伝導体の探索は多くの失敗を伴いますが、自然の基本原理解明に繋がる純粋な物理としての魅力や、自然のもつ多様性と意外性を目の当たりにできるといった多くの魅力を備えています。
石渡晋太郎
- 基礎工学研究科
- 教授
磁性、極性、超伝導が共演する希有な新材料。 トポロジカル半金属を舞台に
時空間反転対称性の破れがもたらす奇妙な超伝導の可能性
研究成果のポイント
- 磁気秩序と極性歪みを併せ持つ新しい超伝導材料の合成に成功。
- 磁気秩序や極性歪みがもたらす時空間反転対称性の破れは、従来型の超伝導電子対(クーパー対)の生成を疎外する。このため、特に磁性と極性の両方を兼ね備えた超伝導体の実験的報告はほとんどなかった。
- 時空間反転対称性が破れた導電体では、トポロジカル超伝導のような特殊な量子状態が実現する可能性が提案されており、量子コンピュータ素子や革新的スピントロニクス材料への展開が期待。
概要
大阪大学大学院基礎工学研究科の高橋英史助教、大学院生の高橋優之さん（博士前期課程）、石渡晋太郎教授らの研究グループは、岡山大学学術研究院自然科学学域の秋葉和人助教、小林達生教授らと共同でユーロピウムと金とビスマスからなる磁性半金属において、磁気秩序と極性構造歪みの両者を伴う超伝導を世界に先駆けて発見しました。
超伝導体は、医療機器として知られる磁気共鳴イメージング（MRI）や超伝導リニアなどの最先端の産業技術を支える材料の一つです。新しい超伝導体の開発は、このような産業応用だけでなく基礎研究の観点からも重要であり、標準理論であるＢＣＳ理論を超える特殊な超伝導状態の探索も進められています。例えば、典型的な超伝導は、機能性材料の立役者とも言える磁性や極性とは相性が悪いと考えられていましたが、近年それらの性質が活かされた新しいタイプの超伝導状態を示す材料が見つかりつつあります。
今回、研究グループは、磁性と極性の両方を兼ね備えたEuAuBiという化合物が超伝導を示すことを発見し(図1)、極低温の物性測定や理論計算により、特殊な超伝導状態が実現している可能性を見いだしました。このEuAuBiは、非常に強い磁性をもったユーロピウムを内包しているだけでなく、ビスマスや金といった重元素からなる極性構造を有しており、これらが伝導電子に作用することで、磁場などの外場に対して特殊な安定性を示す新しいタイプの超伝導となっている可能性があります。本研究は、量子コンピュータのための超伝導素子などの革新的電子デバイスへの応用につながることが期待されます。
この成果は、日本物理学会が発行する英文誌Journal of the Physical Society of Japan (JPSJ)の 2023年1月号に掲載されました。
図1. EuAuBiの極性構造とラシュバ型スピン分裂 (左)、および磁気秩序とゼーマン型スピン分裂の概念図(右)。
研究の背景
BCS理論で記述される従来型のs波超伝導においては、フォノンを媒介として超伝導電子対（クーパーペア）が形成されており(図1中央)、この電子対は時間反転対称性と空間反転対称性を持ちます。このため、これらの対称性を破る磁性や極性は、一般にs波超伝導と相容れない関係にあります。一方で、時空間反転対称性が破れた物質で実現する超伝導は非従来型となることが期待されます。特に空間反転対称性が破れた系では、シングレットとトリプレットが混成した超伝導電子対の存在が提案されています。また近年では、バンド構造に非自明な幾何学的性質を有するトポロジカル物質において、その特異な表面状態に起因した表面超伝導の可能性も指摘され、トポロジカル物質における超伝導探索が精力的に行われています。このような超伝導体では、超伝導電気磁気効果やトポロジカル物性のような新奇量子輸送現象の舞台として興味が持たれています。
研究の内容
石渡教授らの研究グループは、ユーロピウム(Eu)と金(Au)とビスマス(Bi)からなる磁性半金属EuAuBiの単結晶合成に成功し、4Kでの反強磁性転移と2.4Kでの超伝導転移を観測しました。EuAuBiは、磁性を担うEu2＋(S=7/2)からなる三角格子層と、c軸方向に極性をもたらすAu-Biからなる歪んだハニカム格子層が交互に積層した結晶構造を持っており (図1)、磁気秩序と極性構造を有しながらも超伝導を示す非常に珍しい系です。さらに超伝導転移温度は表面敏感であり、同一試料において結晶表面を研磨することで変化します。この物質の超伝導特性を詳細に調べるべく、外部磁場を面内と面間方向に印可した場合での超伝導転移温度の変化を0.1K付近の極低温まで測定しました。その結果、面間磁場において従来型超伝導体で期待されるパウリ極限を大きく超える10Tの超伝導臨界磁場が実現する一方で、面内磁場の場合にはそれが3T程度であり、臨界磁場に大きな異方性があることを明らかにしました（図2）。さらに第一原理計算から、Biのp軌道由来の強いスピン軌道相互作用と極性構造を反映し、フェルミ準位近傍のバンド構造においてラシュバ型のスピン分裂（図1左）が実現していることを見出しました。また、Biのp軌道とAuのs軌道の混成に起因したギャップ構造の存在から、トポロジカルなバンド構造の存在も示唆されました。そのため、パウリ極限を超える大きな臨界磁場とその異方性は、トポロジカル表面での超伝導の可能性や、強いスピン軌道相互作用に起因したラシュバ型のバンド構造を反映したものである可能性を示唆しており、EuAuBiは新しい非従来型超伝導を示す系であることが期待されます。
図2. EuAuBiの面間磁場（上）と面内磁場（下）での磁気・超伝導相図
本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)
本研究成果は、磁性と極性構造を併せ持つトポロジカル半金属EuAuBiの、超伝導とその特異性を初めて明らかにしました。この系における超伝導は大きな磁化と共存できるため、新しい外場応答を示す超省エネスピントロニクスとしての可能性を秘めています。さらに極性構造に由来したトポロジカル超伝導の実現と量子コンピュータ素子としての可能性が期待されます。
特記事項
本研究成果は、日本物理学会が発行する英文誌Journal of the Physical Society of Japan (JPSJ)の 2023年1月号に掲載されました。
タイトル：“Superconductivity in a Magnetic Rashba Semimetal EuAuBi”
著者名：Hidefumi Takahashi, Kazuto Akiba, Masayuki Takahashi, Alex H. Mayo, Masayuki Ochi, Tatsuo C. Kobayashi, and Shintaro Ishiwata
ＤＯＩ：https://doi.org/10.7566/JPSJ.92.013701
なお、本研究は、科学研究費助成事業(KAKEN)「極性金属における機能創成（課題番号：21H01030）」及び「準安定スピントロニクス材料の戦略的高圧合成（課題番号：22H00343）」、村田財団、の一環として行われ、大阪大学 大学院理研究科 越智正之准教授、東京大学大学院工学系研究科（当時：博士）アレックス メイヨー浩氏の協力を得て行われました。
参考URL
SDGsの目標
用語説明
- 半金属
金属と半導体の中間の性質を示す物質群の総称。伝導バンドの下部と価電子バンドの上部がフェルミ準位をわずかにまたいだバンド構造を持つ物質。伝導バンドと価電子バンドが重なり、フェルミ面近傍に線形なバンド分散が実現した場合には、ディラック・ワイル半金属のようなトポロジカル半金属と呼ばれる。
- 極性構造歪み
結晶を構成する陽イオンと陰イオンの重心位置がずれるような協同的イオン（原子）変位。
- 時間反転対称性
時間座標の符号を反転させる操作（時間の流れる方向を逆転させる操作）を時間反転操作と呼び、 この操作によって変化しない物理量は時間反転対称性をもつことになる。スピンを極小の電磁石 と等価なものと考えると、スピンの向きは円環電流の向きと対応させることができるため、外部 磁場によってスピンの向きがそろった物質では時間反転対称性が破れていることになる。
- 空間反転対称性
結晶を構成する原子の空間座標 (x, y, z) を (-x, -y, -z) に移すような変換のことを空間反転と呼び、そのような変換を施しても結晶構造が不変であるとき、その構造は空間反転対称性をもつことになる。EuAuBiの結晶構造は空間反転対称性をもたない。
