東大ら,磁場や磁性が不要な整流特性を発見

東京大学,埼玉大学,東京工業大学は,空間反転対称性の破れた3回回転対称性を持つ層状超伝導体PcTaSe2(鉛(Pb),タンタル(Ta),セレン(Se)から構成される単結晶)が,外部磁場や磁気秩序が存在しない条件下でも巨大な整流特性を示すことを発見した(ニュースリリース)。

一般に空間反転対称性の破れた物質では,電流の正負によって電気抵抗が異なる整流特性が期待される。

このような物質に固有の整流特性は,従来の半導体p-n接合におけるダイオード特性とは違い一つの均質な物質中で生じる現象であるため,固体が示すさまざまな特徴的状態においても実現可能。特に最近,超伝導相で物質に固有の整流特性が実現されることがいくつかの空間反転対称性の破れた超伝導体で発見され,超伝導ダイオードへの応用や微視的機構に注目が集まっている。

しかしながら,これまで超伝導の整流現象は,外部磁場や磁気秩序等が共存するような時間反転対称性の破れた物質でのみ報告されており,時間反転対称性を有する超伝導体における整流現象は原理的には実現可能であると期待されるものの報告例はなかった。

研究では,3回回転対称性を持つ層状超伝導体であるPbTaSe2において,外部磁場を必要としない物質固有の整流特性を測定した。その結果,常伝導状態(超伝導を示さない状態)及び超伝導状態の両方において結晶対称性を反映した特徴的整流現象を観測すると同時に,超伝導状態においてその大きさが常伝導状態よりも大きく増大することを発見した。

さらに,観測された超伝導整流現象を解釈するために,3回回転対称性を持った超伝導体中でのボルテックス-アンチボルテックスの運動を定式化し,その運動の非対称性が超伝導整流特性を生み出すという超伝導ダイオードの新原理を提案した。

これにより,整流現象が超伝導ボルテックスの詳細なダイナミクスを反映した輸送現象であり,空間反転対称性の破れた超伝導体の励起状態やボルテックスダイナミクスを理解する重要な手法になり得ることが示唆された。

このような整流特性は,空間反転対称性が破れた超伝導体に普遍的な現象であり,今後さまざまな空間反転対称性の破れた超伝導体における整流現象の観測や機構の解明が期待されるという。

またこの成果は,エネルギー損失の極めて小さい電子回路の実現に向けた新しい知見と可能性を提示するだけでなく,空間反転対称性の破れた超伝導体における新奇超伝導物性や機能性の開拓を推進するとしている。

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