京大ら，超伝導ゆらぎによる巨大熱磁気効果を発見

京都大学，東京大学，大阪大学，日本原子力研究開発機構は共同で，ある種のウラン化合物超伝導体では，熱磁気効果がこれまでの超伝導体よりも桁違いに大きくなることを発見した（ニュースリリース）。

熱磁気効果とは，磁場中において縦方向の温度差を横方向の電圧に変換する機能（熱電変換）のことで，今回得られた巨大熱磁気効果は，物質が超伝導状態を示すようになる温度（超伝導転移温度）よりも少し高い温度で形成された「超伝導の泡」（超伝導ゆらぎ）に由来する。

ある種の物質を冷やしていくと低温で2つの電子がペア（クーパー対）を組み，電気抵抗がゼロとなる超伝導状態が実現する。しかし，超伝導転移温度以下でのみこのペアが形成されるわけではなく，転移温度より少し高い温度でも，熱ゆらぎの効果によりこのペアは形成される。

この熱ゆらぎによるペアは，泡のように生成・消滅を繰り返し，その結果，超伝導状態の前兆ともいえる「超伝導ゆらぎ」が発現する。この超伝導ゆらぎは，様々な物理量に影響を与える。特に磁場中の熱電変換効果の一種である熱磁気効果（ネルンスト効果）は，超伝導ゆらぎの性質を調べる上で重要な物理量として知られている。通常の超伝導体では，この熱磁気効果の大きさ自体はあまり大きなものではなく，熱電変換材料としてはあまり注目されていなかった。

研究ではウラン化合物超伝導体URu₂Si₂（U：ウラン，Ru：ルテニウム，Si：ケイ素）の超純良試料を用い，超伝導ゆらぎに起因した熱磁気効果を精密に測定した。その結果，試料の純良性が増すほど，超伝導ゆらぎの効果は熱磁気効果に顕著にあらわれた。これは，超伝導体においてこれまで観測された実験結果と定性的に異なっている。

さらに，熱磁気効果の大きさは，従来の超伝導体を良く説明するゆらぎの理論から予想される値の100万倍に達することもわかった。URu₂Si₂の超伝導では，クーパー対を形成する2つの電子が，互いの周りを右回り，または左回りのどちらか一方向に回転している新奇な超伝導状態が実現していると考えられている。

このような超伝導体はカイラル超伝導体と呼ばれており，そのクーパー対は従来の超伝導体にはない新奇な幾何学的構造を持る。このようなカイラル超伝導体では，超伝導の泡の表面を流れるペア電子によって，伝導電子が散乱される。この散乱過程に基づいた新しい理論によって，今回の実験結果は定量的に説明されることが明らかになった。

今回の結果は，カイラル超伝導状態という新奇な超伝導状態を，超伝導ゆらぎを通して初めて観測したもの。従来の超伝導体にはなかった新しいメカニズムによる超伝導現象を見出したものであり，研究グループは今後の超伝導基礎研究の発展につながるとしている。

また，巨大熱磁気効果により，熱電変換効率の指標となる性能指数が従来の物質と比べて非常に大きくなることがわかった。研究具グループの見積もりでは，1テスラ（10000ガウス）の磁場，1.5ケルビン（約マイナス272℃）において，無次元性能指数が実用化の目安になる1に達することから，この物質は低温における熱電変換効率が極めて優れているといえる。

研究グループは今後の展望として，今回見いだされた新しいタイプの超伝導ゆらぎのメカニズムを利用した，熱電変換材料の開発・応用が期待されるとしている。