東北大，鉄系超高温超伝導の発現機構のカギとなる電子状態を解明

東北大学の研究グループは，鉄系高温超伝導体についてこれまで明らかになっていなかった超伝導電子の電子状態を解明した（ニュースリリース）。これは，純良単結晶に電子線を照射して，その照射量を増やすに伴い超伝導電子の数が非単調に変化することを初めて観測したことにより，明らかになったもの。

2008年に発見された鉄系高温超伝導体は，50ケルビン（摂氏マイナス223度）よりも高い温度で超伝導現象を示すこと（超伝導転移温度）が報告され，これまでに発見された最高の超伝導転移温度を持つ銅酸化物高温超伝導体に次ぐ高温超伝導物質であることが明らかとなった。

この鉄系高温超伝導について，さまざまな種類の揺らぎを媒介とする発現機構などが理論的に提案されている。これらの理論では，超伝導電子の電子状態の対称性が揺らぎの種類により決定されるが，実験的には，電子状態の対称性の決定には至っておらず，主となる超伝導発現機構が未解明の状態が続いていた。

研究グループは純良な単結晶に電子線を照射してその不純物効果を研究した。超伝導状態における不純物効果の研究は，超伝導の電子状態を調べる上で非常に強力な手法の一つ。鉄系高温超伝導体においては，主に元素を置換するなどの化学的手法を用いて結晶内に不純物を導入して，その結晶の超伝導転移温度の変化を調べる研究がな行われてきた。

これに対し研究グループは，電子線を試料に照射するという新しい方法を用いて，試料内部にまんべんなく欠陥（不純物）を作り出した。この方法では，照射量を調整することにより系統的に不純物量を制御することができる。

研究グループは超伝導電子の数を反映する量である磁場侵入長が，照射量に対して特殊な変化をすることを明らかにした。磁場侵入長は，不純物量が増えるのに従い低温での温度に対する変化量が一度少なくなったあと，増大するという非単調な振る舞いを示す。これは，超伝導電子の数がいったん増加し，次に減少に転じることを表している。

これまでに鉄系超伝導体においてはさまざまな超伝導電子の電子状態の対称性が理論的に提案されてきたが，このような非単調な超伝導電子の数の変化は，磁気揺らぎを媒介した機構で提案された「s±（エスプラスマイナス）」型の対称性を持つ場合にのみ説明できる。

この結果は，電子線照射による系統的な不純物導入に伴い，超伝導電子の数がどのように変化するかを直接観測することで超伝導の電子状態の対称性の種類を決定できることを示したもの。この研究により決定された超伝導の電子状態は，従来のBCS 理論とは異なる磁気揺らぎを主な機構とする超伝導において提案されたもので，研究グループは今後より高い温度の超伝導の実現を目指し，この機構を用いた超伝導体の設計指針につながると期待している。