岡山大ら,高臨界温度のスピン三重項超伝導を発見

岡山大学と中国科学院は,遷移金属Crを含む物質K2Cr3As3が6.5Kというかつてない高い臨界温度でスピン三重項超伝導を実現していることを発見した(ニュースリリース)。

既知の超伝導体はほとんどスピン一重項状態にある。これには銅酸化物高温超伝導体や鉄砒素高温超伝導体も含まれる。一方,液体ヘリウム3で起きている超流動は,原子対(クーパー対)を構成する2つのスピンが向きの揃った,スピン三重項状態にある。

ヘリウム3の固体版であるスピン三重項超伝導体の探索は,電子間のクーロン相互作用が強い強相関電子系において行なわれてきた。しかし,数個の候補が上がったものの,確実なものはなかった。また,これらの候補の超伝導転移温度が絶対温度1度(1K)程度と低く,測定が困難だった。

研究グループは,遷移金属クロム(Cr)を含む化合物K2Cr3As3に注目。遷移金属であるクロムは3d電子間の相互作用が強い。研究グループはこの相互作用が鉄と同じく強磁性的であることを突き止めている。すなわち,3d電子スピンが向きを揃えようとする傾向は,超伝導のバックグラウンドで働いている。

液体ヘリウム3でも似たような相互作用が働いており,超伝導が起きると,エネルギーギャップが開くが,K2Cr3As3におけるギャップもヘリウム3に似ており,ギャップが開かない場所があることを研究グループは明らかにした。ギャップが開かない場所は,地球の北極点と南極点に相当する。

今回,研究グループはK2Cr3As3の単結晶を作製し,核磁気共鳴法によってスピン磁化率を測定した。その結果,磁場を結晶のc軸に平行に印加したときにのみ超伝導状態でスピン磁化率が減少し,その他の方向では減少しないことを発見した。これはスピン三重項超伝導の最も直截的な証拠だという。

また,群論解析から,超伝導を担う電子対の軌道関数が液体ヘリウム3と同じくp波(px+ipy)であることを明らかにした。このような状態はトポロジカル的に非自明で,その表面や磁束の中心の電子状態が量子計算など次世代の産業への応用が期待できる。

スピン三重項超伝導体は上部臨界磁場が高く,大電流を流しても,その電流が発生する磁場によって超伝導状態が壊れない。そのため,スピン三重項超伝導体は送電線に適する。さらに,スピン三重項超伝導は,その波動関数にメビウス帯のような「ひねり」があって,表面や磁束の中心の電子状態(マヨラナ励起)は散乱に強い。そのため,次世代のトポロジカル量子コンピュータへの応用が期待されるとしている。

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