東大ら,2次元超伝導体の新規電子相を発見

東京大学と東北大学の研究グループは,電界効果により半導体単結晶表面で原子層の厚さ程度の高品質2次元超伝導体を実現した(ニュースリリース)。

物質のナノエレクトロニクスデバイスとしての側面に注目が集まっている。特に超伝導体の集積化は,次世代の量子計算のハードウェアを構成する基盤となる。したがって,超伝導体の集積化において不可欠な超伝導細線や超伝導薄膜の基礎的物性を解明することが広く求められている。

しかし,これまでの超伝導薄膜の研究では,試料の不純物や欠陥,非晶質性といった乱れのため,理想的な2次元超伝導体が本来示すべき量子状態の創出・解明にまで至っていなかった。

研究グループは,セラミック半導体の一種である層状窒化物・塩化窒化ジルコニウム(ZrNCl)及び潤滑剤にも使われている二硫化モリブデンの高品質な単結晶をスコッチテープ法により劈開し,厚さ20nmほどに薄膜化した後,その表面に電界効果トランジスタの一種であるEDLT構造という絶縁層にイオン液体を用いる特殊なデバイスを作製した。

このEDLT構造では,強電界によって電子が単結晶表面に蓄積しているため,蒸着等の従来の方法によって作製される超伝導薄膜に比べ,乱れの影響が極限まで少なくかつ厚さ1~2nmの超極薄の理想的な2次元電子系を人工的に実現できる。

研究では,このトランジスタ構造で2次元超伝導体,すなわち電場で制御可能な超伝導トランジスタを作製した。さらに面に対して垂直方向に磁場をかけた場合の磁気抵抗の温度依存性を測定することで,ON(超伝導状態)から OFF(絶縁体状態)の間に,量子金属状態と量子Griffiths状態という2つの特殊な量子状態を発見した。

これらの新規量子状態は2次元性と量子ゆらぎ,そして試料中に僅かに残る乱れの組み合わせ効果により初めて実現するもので,従来型の乱れの多い超伝導薄膜では観測されなかったもの。研究グループはこれらの特殊な量子状態を磁場によって精密に制御することにも成功し,包括的な磁場-温度相図を構築した。

この研究により,乱れが極めて少ない原子層厚さの2次元超伝導体は,従来型の乱れの多い超伝導薄膜では見られなかった新規量子状態を示すことが明らかになった。

今後,これらの研究成果は,新たな高結晶性2次元超伝導体の研究分野を開拓する礎になるだけでなく,将来的な超高速・量子計算のための超伝導素子や超伝導集積回路といった量子効果を利用した最先端ハードウェアを開発する上で重要な知見になるとしている。

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