理研ら,スピンが偏った超伝導状態を検証

理化学研究所(理研)と東京工業大学の共同研究グループは,「トポロジカル超伝導体」の候補物質β-PdBi2(Pd:パラジウム、Bi:ビスマス)の表面において,スピンが偏った(スピン偏極した)特異な状態が超伝導になっていることを明らかにした(ニュースリリース)。

トポロジカル超伝導体は,試料内部では通常の超伝導を示すが,表面や端(エッジ)にマヨラナ粒子と呼ばれる特異な粒子を持つことが理論的に提案されている。マヨラナ粒子は新しい原理に基づく量子コンピューターへの応用などの観点から大きな注目を集めている一方,現状ではトポロジカル超伝導の報告例が少なく,その存在を巡って論争が続いている。

トポロジカル超伝導の実現には,試料表面でスピン偏極した電子状態を作り出し,そこに超伝導を誘起させることが重要となる。しかしこれまで,スピン偏極と超伝導を同時に観測した例はなかった。

今回,研究グループは,トポロジカル超伝導体の候補物質として知られるβ-PdBi2の高品質単結晶の作製に成功し,走査型トンネル顕微鏡法/分光法(STM/STS)を用いて,表面のスピン状態および超伝導状態を同時に観察した。

その結果,β-PdBi2の表面では全ての電子状態がスピン偏極しており,トポロジカル超伝導にとって非常に有利な状況にあることが分かった。また,同時に超伝導ギャップの観測にも成功し,スピン偏極状態が超伝導になっていることを実験的に示した。

電子の波の干渉模様と超伝導ギャップの同時に観測できるSTM/STによる今回の研究成果は,これまで調べることが難しかったスピン構造と超伝導の関係解明に向けて突破口を開くものであり,今後,トポロジカル超伝導の完全検証やマヨラナ粒子の検出へつながることが期待できるとしている。

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