米澤進吾 理学研究科助教、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、米泽助教、田尻修士课程学生
「超伝导になることで结晶の持つべき対称性が破れてしまう」という常识外れな効果が、非常にはっきりと観测できたことに惊くと同时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、今后さらにネマティック超伝导の持つ性质や机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、背后に持つ法则としては対称性を持つにもかかわらず、実现する状态が対称性を破ることであり、物理学全般において极めて重要な概念です。超伝导は、ある温度以下で电気抵抗が完全にゼロになる现象のことで、超伝导物质内で电子2个ずつがペアを作ることで引き起こされますが、この现象も対称性の破れと密接にかかわっています。特に、超伝导物质が超伝导状态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、超伝导ペアを组む强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导」はこれまでに见つかっていませんでした。
液晶においては、分子同士が流动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态が起こります。回転対称性を破った超伝导では超伝导ペアが流动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态と类似しています。このことから、回転対称性の破れた超伝导は「ネマティック超伝导」と近年呼ばれるようになりました。ネマティック超伝导はこれまでにない対称性破れを伴った新しい种类の超伝导であり、その発见は、生物学での新种の発见や、素粒子物理学での新しい粒子の発见にも相当します。この数年、このようなネマティック超伝导は実在するのか、また実现した场合にどのような性质を持つのかが、研究者の间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－セレン化合物叠颈 2 Se 3 の结晶中に铜イオンを挿入した颁耻 x Bi 2 Se 3 という物质の単结晶试料を用い、超伝导ペアの结合の强さと関係する比热（物体に热を一定量加えた时にどの程度温度が上昇するかを表す物理量）を、磁场方向を精密に制御しながら测定しました。
その结果、铜を挿入したビスマス-セレン化合物超伝导物质において、超伝导ペアたちが特定の方向でペアを组む强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：颁耻 x Bi 2 Se 3 で発见されたネマティック超伝导の模式図
通常状态では等価だった叁つの方向が、超伝导になると超伝导対の强さの强弱によって特别な方向が生じ、ネマティック超伝导となっています。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
Shingo Yonezawa, Kengo Tajiri, Suguru Nakata, Yuki Nagai, Zhiwei Wang, Kouji Segawa, Yoichi Ando and Yoshiteru Maeno. (2016). Thermodynamic evidence for nematic superconductivity in CuxBi2Se3. Nature Physics.
- 京都新聞（10月12日 27面）および日刊工業新聞（10月13日 21面）に掲載されました。
